理论计算Mn3Ga合金的电子结构

陈婷

摘要：计算机技术的普及使得人们对计算机存储器的性能提出了新要求。Heusler合金因其独特的磁学性质，为自旋存储器的设计提供了一种可能性。本文采用理论模拟计算方法对D03型Mn3Ga合金的电子结构和磁性进行了研究。我们的研究发现Mn3Ga拥有半金属特性的电子结构，是一种彻底自旋极化的材料。磁性计算表明它具有典型的反铁磁性。Mn3Ga合金作为一种半金属反铁磁材料，在自旋存储器件的设计中，具有重要的研究意义。

关键词：Mn3Ga合金；密度泛函理论；电子结构；磁性

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0189-01

20世纪40年代，第一台计算机的问世拉开了以计算机技术为主的信息技术革命的序幕。计算机技术的发展不仅改变了人们的生产方式，也改变了人们的生活方式。时至今日，人们在生产生活的方方面面都能看到计算机的身影。与此同时，人们对计算机性能也提出了更高的要求。传统的计算机存储设备（硬盘）采用机械驱动方式控制磁盘的转速，该方式制约了硬盘的读取速度，阻碍了计算机的运行速度，限制了计算机性能的发挥。为此，各国研究者们希望寻求一种新的储存器。一种基于隧道磁电阻效应的自旋存储器，以其读取速度快，储存容量大的优点受到广泛关注。该自旋存储器件的关键部件是一种多层结构的磁隧道结。理想磁隧道结的基础是采用具有同一自旋方向的极化电流驱动信息的读写。

Heusler合金是一种特殊的金属化合物，具有独特的磁学性质、形状记忆效应、半金属性、拓扑绝缘等性能，表现出重要的研究价值和广阔的应用前景。1983年Groot等人通过理论计算发现Heusler合金具有半金属性，即其费米面处的电子表现出完全彻底的自旋极化。这种半金属材料能够提供同一自旋方向的极化电子，是一种理想的自旋电子源。半金属材料在自旋存储器件的设计领域具有重要的研究前景。

Mn3Ga合金具有多种构型，最常见的一种构型是D03型，如图1所示。本文采用理论计算的方法探究了D03型Mn3Ga合金的电子结构及磁性。

1 研究方法

本文研究的主要理论依据是：基于第一性原理的密度泛函理论。本文涉及的所有计算任务均由VASP程序运算完成。该程序是维也纳大学设计的一款专门用于材料计算的模拟软件包，也是目前计算材料科学研究领域非常流行的商用计算软件之一。计算过程中，我们采用了350 eV的截断能，布里渊区进行了15×15×15网格K点采样，电子自洽计算的收敛标准为10-6 eV。在結构优化的过程中，原子停止弛豫的标准为0.02 eV。Mn3Ga晶胞结构优化及电子结构的计算均收敛到能量最小值。

2 结果分析

分析晶体材料的自旋极化电子结构是判断其半金属性的一种直接有效的方式。我们进行的理论计算能够清晰地呈现出材料的电子结构。根据计算数据，我们选取费米能级为能量零点，绘制出了Mn3Ga合金的自旋极化电子态密度，如图2所示。从图中可以看出，自旋向上和自旋向下的电子态密度曲线并不对称；特别是在费米能级附近，自旋向下电子的态密度为零，存在下自旋带隙，表现出半导体的电子结构特征。自旋向上电子的态密度在费米能级附近并不存在带隙，有明显的金属电子结构特征。一个自旋极化方向电子表现出半导体性，剩下一个自旋极化方向的电子表现出金属性的情况，这就是典型的半金属电子结构特征。因此，我们的计算表明Mn3Ga合金具有典型的半金属性。那么，从理论上讲，Mn3Ga合金能够提供同一自旋极化方向的电子，是一种理想的自旋电子源。

一种材料要作为此磁隧道结，其磁学性质也是一个重要的考察标准。为此，通过提取计算数据，我们对Mn3Ga合金的磁性进行了分析。分析结构表明在单个晶胞中MnMn层原子的总自旋磁矩大小为3?B，MnGa层原子的总自旋磁矩也为3?B；两者的磁矩方向相反。这种磁矩大小相等并呈反方向平行排列的磁结构是典型的反铁磁结构。因此，我们的计算表明Mn3Ga合金具有典型的反铁磁性。

3 结论

本文运用密度泛函理论，计算了D03型Mn3Ga合金的电子结构及磁性。计算结果表明Mn3Ga合金同时具有典型的半金属性和典型的反铁磁性。这种同时具有半金属性和反铁磁性的半金属反铁磁材料是制作磁隧道结的理想材料。它们能够作为理想的自旋电子源，为器件提供同一自旋方向的极化电子。此外，由于其具有反铁磁性，整个材料的总的自旋磁矩为零；这使得存储器件在实际的信息读写过程中，其消耗的能量比铁磁材料更低。综上所述，我们认为在设计磁隧道结中，Mn3Ga合金是一种理想候选材料。

参考文献：

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