第一原理方法研究Full-Heusler合金Co2FeSi的原子无序性对半金属特性的影响

摘要

最近,物理学工作者应用第一原理方法从理论上预测了Full-Heusler合金Co2FeSi为半金属铁磁性材料;并且,从实验上测得这种材料的磁矩为整数(单位原胞的自旋磁矩为6μB),居里温度约为1100 K. Co2FeSi的磁矩和居里温度是目前为止所报道的半金属性Heusler化合物中最高的,这种性质决定了其在自旋电子学应用领域里将成为一个非常理想的候选材料.然而,在半金属材料中不同原子之间的无序性可能会对半金属材料的半金属性产生极大的影响.
　　本文应用全势线性缀加平面波方法(FLAPW)结合GGA+U方案研究了原子无序性对Full-Heusler合金Co2FeSi的电子结构和磁性质的影响.本工作中,我们考虑了五种类型的原子无序:Co-Fe原子无序，Co-Si原子无序，Fe-Si原子无序，Co-Fe无序与Fe-Si无序同时发生的情况，Co-Si无序与Fe-Si无序同时发生的情况.计算结果表明:
　　(1)在Fe-Si原子无序中，Co、Fe原子的平均自旋磁矩与有序结构的相比几乎没有变化,其单位原胞总自旋磁矩也接近6μB.从计算得到的能态密度进一步发现Fe-Si原子无序体系在U7.5和U10的情况下具有准半金属特性,而在U15和U20的情况下体系完全表现为半金属铁磁性行为.
　　(2)当体系出现Co-Fe无序时,在U7.5～U15的范围内体系依然保持半金属性质,但体系的总自旋磁矩则从有序体系的48μB降低到44μB;而在U20的情况体系的半金属性会遭到破坏,自旋极化率降至59％.如果在Co-Fe无序基础上又出现Fe-Si无序时,在U7.5，U10和U20的情况体系依然保持良好的半金属性.但在U15的情况,体系的半金属性消失,自旋极化率只有15%.
　　(3)当Co2FeSi中存在Co-Si无序或者同时存在Co-Si与Fe-Si无序时,体系的半金属性会受到严重影响,自旋极化率将被极大地降低.对于Co-Si和Fe-Si无序同时出现的情况,体系的总能量是所有无序当中最高的,因此这种类型的无序是所研究的无序当中最不容易出现的.

目录

第一章 引 言

1.2 半金属磁性材料

1.3 Half-Heusler 和Full-Heusler半金属铁磁体

1.3.1 Half-Heusler 半金属的半金属特性成因和磁性质

1.3.2 Full-Heusler 半金属的半金属特性成因和磁性质

1.4 本工作的出发点及意义

第二章 理论依据

2.1 密度泛函理论

2.1.1 绝热近似

2.1.2 Hartree-Fock 近似

2.1.3 Hohenberg-Kohn定理

2.1.4 Kohn-Sham 方程

2.1.5 交换关联近似

2.1.6 LDA+U 方法

2.2 全势线性化缀加平面波(FLAPW)方法

2.2.1 缀加平面波方法(APW)

2.2.2 线性缀加平面波方法(LAPW)

第三章 计算方法与计算参数

3.2 本工作中的计算方法与计算参数的选择

第四章 计算结果与讨论

4.1 Co-Fe 无序

4.2 Co-Si 无序

4.3 Fe-Si 无序

4.4 CoFe+FeSi 无序

4.5 CoSi+FeSi 无序

4.6 无序对自旋极化率的影响

第五章 结论

参考文献

致谢

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