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        Semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs半金屬鐵磁性穩(wěn)定特性的第一性原理研究

        2011-12-09 00:54:36姚仲瑜
        關(guān)鍵詞:金屬性鐵磁性伊斯

        姚仲瑜

        (海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,海南 ???571158)

        Semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs半金屬鐵磁性穩(wěn)定特性的第一性原理研究

        姚仲瑜

        (海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,海南 ???571158)

        采用基于密度泛函理論的全勢能線性綴加平面波方法對semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行自旋極化計算.Semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs處于平衡晶格常數(shù)時都具有半金屬性質(zhì),它們自旋向下子能帶的帶隙分別是0.59 eV和0.46 eV,合金分子的總磁矩分別為3.00/formula和2.00/formula.在晶體相對于平衡晶格發(fā)生各向同性形變的情況下,計算semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs的電子結(jié)構(gòu).計算結(jié)果表明,在相對于平衡晶格的各向同性形變分別為-6%~2%和-2%~4%時,semi-Heusler合金NiCrP和NiVAs的總磁矩穩(wěn)定,并且能保持其半金屬鐵磁性.

        第一性原理;NiCrP;NiVAs;半金屬鐵磁性

        半金屬半鐵磁體(half-metallic ferromagnet)是指一個自旋子能帶(一般為自旋向上子能帶)是金屬性的,而另一個自旋子能帶是半導(dǎo)體性或絕緣體性的鐵磁性物質(zhì).這一性質(zhì)是de Groot等人在1983年對半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb和Pt?MnSb進(jìn)行能帶計算時首次發(fā)現(xiàn)的[1].之后,已經(jīng)有許多化合物在理論上被預(yù)言[2-7]或在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)具有半金屬的性質(zhì)[8-11],本文將要研究的semi-Heu?sler合金NiCrP和NiVAs就具有這一性質(zhì)[12-13].

        半金屬鐵磁體是制作自旋電子學(xué)器件(spin?tronci device)的關(guān)鍵性材料[14].半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb和PtMnSb的晶格具有C1b結(jié)構(gòu)(空間群編號:216).作為制作自旋電子學(xué)器件的材料,半霍伊斯勒合金具有以下兩方面的優(yōu)勢:1)它們具有相對較高的居里溫度(Tc)[15-16],例如,半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb的居里溫度為730 K[15];2)它們與已在工業(yè)上廣泛使用的閃鋅礦相二元半導(dǎo)體(如ZnS、GaAs和GaP)的結(jié)構(gòu)相似(空間群編號同為:216),因而半霍伊斯勒合金半金屬與二元半導(dǎo)體有較好的晶格相容性,它有利于在二元半導(dǎo)體基底上外廷生長出半霍伊斯勒合金半金屬(單層或多層)薄膜而制成自旋電子學(xué)器件,因此,半霍伊斯勒合金半金屬是制作自旋電子學(xué)器件的理想候選材料.半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs是鐵磁性半金屬,它們可能成為制作自旋電子學(xué)器件的備選材料.

        制作自旋電子學(xué)器件的方法通常是在器件的基底上外延生長半金屬性質(zhì)的薄膜.一般情況下,半金屬材料的晶格與基底晶格是不同的(晶格結(jié)構(gòu)和/或晶格常數(shù)),這種晶格失配(lattice mismatch)現(xiàn)象普遍存在于器件的制作之中,這必將導(dǎo)致與器件基底接觸的NiCrP和NiVAs合金表面膜層晶格發(fā)生畸變.在晶體晶格發(fā)生形變的情況下,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs是否具有半金屬性,這是一個有待于進(jìn)一步研究的問題.經(jīng)檢索現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料,未見相關(guān)問題的研究報道,因此,本文將對這一問題進(jìn)行研究.本文將通過使晶體晶格發(fā)生各向同性形變的方式來研究半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的半金屬及其磁性的穩(wěn)定性.

        1 晶格結(jié)構(gòu)模型與計算方法

        具有C1b結(jié)構(gòu)的半霍伊斯勒合金NiCrP和Ni?VAs的晶體晶格是由3個次面心結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成,其空間群為(空間群編號:216).半霍伊斯勒合金NiCrP晶格中對應(yīng)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)位置分別是:Ni(1/4,1/4,1/4)、Cr(1/2,1/2,1/2),P(0,0,0),其空間結(jié)構(gòu)圖見圖1.

        圖1 半霍伊斯勒合金NiCrP的晶體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Crystal structure of semi-Heusler alloy NiCrP

        所有的電子結(jié)構(gòu)都采用WIEN2K[17]計算程序軟件包計算.在WIEN2K程序計算中,采用以Kohn-Sham密度泛函理論為基礎(chǔ)的全勢能線性綴加平面波(full-potential linearized augmented plane wave,FP_LAPW)方法.該方法將晶胞劃分為非重疊的muffin-tin球區(qū)和剩余的間隙空間區(qū).在muf?fin-tin球區(qū)內(nèi),電荷密度和勢能函數(shù)按球諧函數(shù)展開,基函數(shù)為原子徑向和球諧部分的乘積;在間隙區(qū),由于勢場變化比較平緩,電荷密度、勢函數(shù)和基函數(shù)則采用平面波展開.交換-相關(guān)勢采用廣義梯度近似(GGA)下的Perdew-Burke-Ernzerhof’96方法處理[18].波矢積分采用四面體網(wǎng)格法,在第一布里淵區(qū)k點(diǎn)網(wǎng)格取10×10×10.在半霍伊斯勒合金NiCrP 和 NiVAs中,Ni、Cr、V、P 和 As原子的 muf?fin-tin 模型球半徑 Rmt分別取為 2.1 a.u.,2.0 a.u.,2.0 a.u.,1.8 a.u.和2.1 a.u.(1a.u.=0.052 9177 nm).取截斷參數(shù):Rmt×Kmax=8,其中,Rmt是分子中最小的muffin-tin球半徑,Kmax是平面波展式中最大的倒格子矢量.自洽計算的收斂精度取為1×10-4e/cell.

        2 計算結(jié)果與討論

        對半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行自旋極化計算,得到它們在平衡體積時(平衡晶格常數(shù)a0分別為5.59 ?[12]和5.85 ?[13])的電子能帶結(jié)構(gòu)圖見圖2.從圖中可看出,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs自旋向上的分能帶是金屬性的,而自旋向下分能帶呈現(xiàn)明顯的非導(dǎo)體性質(zhì),因此,它們是半金屬性的.從計算結(jié)果可以看出,它們自旋向下的自旋子能帶中費(fèi)米能附近的能帶帶隙分別為0.59 eV和0.46 eV.

        圖2 半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs處于平衡晶格常數(shù)的態(tài)密度圖Fig.2 The density of states(DOS)for semi-Heusler al?loys NiCrP and NiVAs at the equilibrium lattice constant

        半霍伊斯勒合金NiCrP晶體相對于平衡晶格的各向同性形變?yōu)?6%和+2%時的電子態(tài)密度(density of states,DOS)分布在圖3中給出.在圖3中,當(dāng)Δa/a0=-6%時,自旋向上子能帶是金屬性的,費(fèi)米能恰好位于自旋向下子能帶帶隙的最右端,而當(dāng)Δa/a0=+2%時,自旋向上子能帶也是金屬性的,費(fèi)米能恰好位于自旋向下子能帶帶隙的最左端.

        圖3 半霍伊斯勒合金NiCrP晶體相對于平衡晶格的各向同性形變分別為-6%和+2%時的電子態(tài)密度分布Fig.3The calculated spin-dependent DOS of semi-Heusler alloy NiCrP at the uniform strains of-6%and+2%,respectively

        半霍伊斯勒合金NiVAs晶體相對平衡晶格的各向同性形變?yōu)?2%和+4%的電子態(tài)密度分布在圖4中給出.當(dāng)Δa/a0=-2%時,自旋向上子能帶是金屬性的,費(fèi)米能恰好位于自旋向下子能帶帶隙的最右端,而當(dāng)Δa/a0=+4%時,自旋向上子能帶也是金屬性的,費(fèi)米能恰位于自旋向下子能帶帶隙的最左端.

        圖4 半霍伊斯勒合金NiVAs晶體相對于平衡晶格的各向同性形變分別為-2%和+4%時的電子態(tài)密度分布Fig.4The calculated spin-dependent DOS of semi-Heusler alloy NiVAs at the uniform strains of-2%and+4%,respectively

        從圖3和圖4可以看出,當(dāng)Δa/a0增大時,費(fèi)米能在自旋向下子能帶帶隙中的位置是會發(fā)生變化的,都有向左移動的趨勢.為了進(jìn)一步詳細(xì)研究各向同性形變對半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的半金屬性的穩(wěn)定性的影響,將相對于平衡晶格的各向同性形變Δa/a0的變化步長減小為1%,并計算半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的電子結(jié)構(gòu).計算結(jié)果表明,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs在相對平衡晶格的各向同性形變從-8%變化到+8%的過程中其自旋向上子能帶始終是金屬性,因此,它們是否具有半金屬性完全取決于自旋向下子能帶的性質(zhì).從已得到的計算結(jié)果中將半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs自旋向下費(fèi)米能附近的DOS空白區(qū)域分別繪于圖5中.

        從圖5中可看出,當(dāng)相對平衡晶格各向同性形變分別為-6%~2%和-2%~4%時,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的費(fèi)米能位于自旋向下DOS空白區(qū)內(nèi),因此,它們在上述形變范圍內(nèi)具有半金屬性質(zhì).

        自旋磁矩的計算結(jié)果表明,當(dāng)半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs處于平衡體積時,它們的總磁矩分別為3.00μB/formula和2.00 μB/formula.它們的整數(shù)總磁矩符合關(guān)系式[19]:M=(Z-18)μB,其中,Z為分子中各原子價電子之和(在Ni、Cr、V、P和As原子中,它們的價電子數(shù)分別為10、6、5、5和5),M為分子總磁矩(單位為μB).

        圖5 半霍伊斯勒合金NiCrP(a)和NiVAs(b)費(fèi)米能附近的自旋向下DOS空白區(qū)域隨相對于平衡晶格的各向同性形變的變化關(guān)系(圖中的水平線段表示自旋向下費(fèi)米能附近的DOS空白區(qū)域)Fig.5The blank in the spin-down DOS of semi-Heusler alloys NiCrP(a)and NiVAs(b)as a function of uniform strain relative to the equilibrium lattice constant.The horizontal solid lines correspond to the blank in the spin-down DOS

        在NiCrP合金中,Ni原子、Cr原子和P原子上的 磁 矩 分 別 為 0.048 3 μB、2.88 μB和-0.128 μB.NiCrP合金的總磁矩主要由Cr原子貢獻(xiàn),P原子的磁矩為負(fù)值而且相對而言很小,所以,半霍伊斯勒合金NiCrP是鐵磁性的.在NiVAs合金中,分子總磁矩為 2.00 μB,Ni、V 和 As原子的磁矩分別為0.0153 μB、1.68 μB、和-0.0730 μB,總磁矩主要來源于V原子,As原子的磁矩為負(fù)值而且相對而言很小,半霍伊斯勒合金NiVAs也是鐵磁性的.整數(shù)總磁矩是半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的鐵磁性特征之一.

        為了研究半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs鐵磁性的穩(wěn)定性,我們?nèi)砸?%的變化步長改變相對于平衡晶格的各向同性形變Δa/a0來計算它們的總磁矩,并將所得的計算結(jié)果在圖6中給出.從圖6中可以看出,在相對于平衡晶格的各向同性形變分為-6%~2%和-2%~4%時,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的總磁矩分別穩(wěn)定于3.00 μB/formula和2.00 μB/formula.

        圖6 半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的總磁矩隨相對于平衡晶格的各向同性形變的變化關(guān)系Fig.6The calculated total magnetic moments of semi-Heusler alloys NiCrP and NiVAs as a function of uni?form strain relative to the equilibrium lattice constant

        綜合以上分析結(jié)果,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs相對于平衡晶格的各向同性形變分別在-6%~2%和-3%~4%的范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的半金屬鐵磁性.

        3 結(jié)論

        基于密度泛函理論的全勢能線性綴加平面波(FP_LAPW)方法,計算了半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs的電子結(jié)構(gòu).計算結(jié)果表明,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs處于平衡晶格常數(shù)時是半金屬性的,并且它們自旋向下分能帶上分別有0.59 eV和0.46 eV的能帶帶隙,它們的總磁矩分別為3.00 μB/formula和2.00 μB/formula.在晶體相對于平衡晶格發(fā)生各向同性形變的條件下,當(dāng)相對平衡晶格的各向同性形變分別為-6%~2%和-2%~4%時,半霍伊斯勒合金NiCrP和NiVAs具有穩(wěn)定的半金屬鐵磁性.

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        First-principles Study on Stability of Half-metallic Ferromagnetism of Semi-Heusler Alloys NiCrP and NiVAs

        YAO Zhongyu
        (College of Physics and Electronic Engineering,Hainan Normal University,Haikou571158,China;)

        Using the full-potential linearized augmented plane wave(FP-LAPW)method based on the density function?al theory,the spin-polarized calculations of electronic structure for the semi-Heusler alloys NiCrP and NiVAs have been performed.Semi-Heusler alloys NiCrP and NiVAs at their equilibrium lattice constants are half-metallic with total mag?netic moments of 3.00 and 2.00 μB/formula and the spin-down energy gaps of 0.59 and 0.46 eV,respectively.The elec?tronic structure of the semi-Heusler alloys NiCrP and NiVAs have also been calculated under uniform strains relative to the equilibrium lattice constant.The calculated results indicate that the semi-Heusler alloys NiCrP and NiVAs can keep their total magnetic moments of 3.00 and 2.00 μB/formula and maintain half-metallic ferromagnetism within the uniform strains of-6%―2%and-2%―4%,respectively.

        first-principles;NiCrP;NiVAs;half-metallic ferromagnetism

        O 562.1

        A

        1674-4942(2011)01-0047-05

        2010-11-10

        海南省教育廳高等學(xué)??蒲谢痦?xiàng)目(Hjkj 2009-47)

        黃 瀾

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