二元Heusler合金及其掺杂化合物的结构、电子、磁性和弹性的第一性原理研究

论文摘要

在过去,将自旋特性引入到半导体器件中的自旋电子学器件引起了科学家们的注意,一个最大的问题就是引入率比较低。为此,科学家们猜想:如果让材料的自旋极化率达到100%,是不是就能很好地解决问题?之后,德国物理学家F.Heusler第一次发现了 Heusler合金,但由于当时实验条件的制约,他并没有研究其物理特性。1983年,De Groot等人发现半Heusler合金NiMnSb拥有半金属（HM）铁磁性:一边电子轨道穿过费米能级（EF）,表现出金属性,而另一边电子轨道呈现半导体性。利用自旋极化率的计算公式,可知半Heusler合金NiMnSb拥有100%的自旋极化率,实验上NiMnSb合金也已经被制备,并且发现它确实是很好的引入源。从此,Heusler合金因具有高居里温度、大磁矩和100%的自旋极化率而在自旋电子学器件应用中脱颖而出。本文运用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法研究了二元Mn基Heusler合金Mn2Z（Z=As,Sb,Bi）、二元Mn基Heusler 掺杂化合物 Mn2GexAs1-x（x=0.25,0.50,0.75,1.00）和二元 Heusler 合金 ZCl3（Z=Be,Mg,Ca,Sr）,得出的主要结论如下:（1）研究了二元Mn基Heusler合金Mn2Z（Z=As,Sb,Bi）的结构、电子、磁性和弹性。能带和态密度计算结果表明,这三种合金均呈现HM亚铁磁性。磁性计算指出这三种合金的总磁矩Mt都是-1μB/f.u.（每个公式单元的磁矩单位）,满足Slater-Pauling规则Mt=18-Zt。根据弹性计算结果,可以得出这三种合金均是力学稳定的,但是结合形成能和结合能的计算结果,可以看出Mn2As和Mn2Sb合金属于热力学稳定的,而Mn2Bi合金是热力学亚稳定的。除此之外,这三种合金Mn2As、Mn2Sb和Mn2Bi在较大的应变范围内均能够稳定地保持HM亚铁磁性质。最后,在三轴均匀压应变情况下,这三种合金均经历FiM-HM、FiM-M、NM-M、FiM-M和NM-M五种相变。（2）研究了二元 Mn 基 Heusler 化合物Mn2GexAs1-x（x=0.25,0.50,0.75,1.00）的结构、电子、磁性和弹性。第一,结构计算结果表明,这三种合金Mn2Ge0.25As0.75,Mn2Ge0.75As0.25和Mn2Ge呈现的是立方结构,而Mn2Ge0.5As0.5合金呈现四方结构。第二,能带和态密度计算均指出,掺杂后的四种合金均表现出HM亚铁磁性。磁性计算表明他们的总磁矩Mt满足Slater-Pauling规则Mt=18-Zt。第三,形成能和结合能研究结果表明,这四种合金均呈现热力学稳定性。最后,合金Mn2Ge0.25As0.75和Mn2Ge0.sAs0.5在压强为0-4GPa是力学稳定的,而当压强分别超过1.3和0.5GPa时,合金Mn2Ge0.75As0.25和Mn2Ge将失去力学稳定性。（3）研究了二元Heusler合金ZCl3（Z=Be,Mg,Ca,Sr）的结构、电子和磁性。结合电子和磁性,发现这四种二元Heusler合金ZCl3（Z=Be,Mg,Ca,Sr）均为HM铁磁性,且总磁矩都为1μB/f.u.;结合形成能和结合能的计算结果,发现合金BeCl3是热力学亚稳定的,而合金MgCl3,CaCl3和SrCl3则呈现热力学稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 Heusler合金的研究现状、分类和应用
•     1.1.1 Heusler合金的研究现状
•     1.1.2 Heusler合金的分类
•     1.1.3 Heusler合金的应用
•   1.2 掺杂Heusler合金的基本情况
•   1.3 本文的研究内容和方法
•     1.3.1 本文的研究内容
•     1.3.2 本文的研究方法
• 2Z（Z=As,Sb,Bi）的结构、电子、磁性和弹性'>第2章 二元Heusler合金Mn₂Z（Z=As,Sb,Bi）的结构、电子、磁性和弹性
•   2.1 引言
•   2.2 计算方法
•   2.3 计算结果和讨论
•     2.3.1 优化结构
•     2.3.2 结合能和形成能
•     2.3.3 电子特性的计算
•     2.3.4 磁性特性的计算
•     2.3.5 弹性特性的计算
•     2.3.6 三轴均匀张压应变对半金属特性的影响
•     2.3.7 三轴均匀压应变对半金属及磁性的影响
•   2.4 本章结论
• 2As的结构、电子、磁性和弹性'>第3章 不同Ge浓度掺杂二元Heusler合金Mn₂As的结构、电子、磁性和弹性
•   3.1 引言
•   3.2 计算方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 结构稳定性
•     3.3.2 电子特性的计算
•     3.3.3 磁性特性的计算
•     3.3.4 加压下的力学特性的计算
•   3.4 本章结论
• 3 （Z=Be,Mg,Ca,Sr）的结构、电子和磁性'>第4章 二元Heusler合金ZCl₃（Z=Be,Mg,Ca,Sr）的结构、电子和磁性
•   4.1 引言
•   4.2 计算方法与讨论
•   4.3 计算结果和分析
•     4.3.1 结构优化
•     4.3.2 结合能和形成能
•     4.3.3 电子特性
•     4.3.4 磁性特性
•     4.3.5 电子局域函数的分析
•   4.4 本章结论
• 第5章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋军涛

导师: 张建民

关键词: 第一性原理,二元合金,结构特性,电子特性,磁性特性,弹性特性

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 陕西师范大学

分类号: O469

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000254

总页数: 65

文件大小: 4759K

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