关于Mn3Al块体合金的电子结构计算

王俊灏

摘 要：自旋电子学器件在航天、军事等高科技领域，甚至在智能家电、通讯等民用领域都有广泛的利用，因此它也引起了科学家们越来越多的关注。我们将对D03型Mn3Al块体合金的电子结构和磁性利用理论模拟计算方法进行研究。根据理论计算发现Mn3Al合金不仅具有100%的自旋极化率而且还有半金属特性的电子结构。关于合金磁性计算研究表明它是完全反铁磁性材料。Mn3Al合金是一种半金属完全反铁磁材料，所以研究Mn3Al合金对自旋电子学器件的设计具有重要意义。

关键词：Mn3Al合金；密度泛函理论；电子结构；磁性

中图分类号：TG139 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0071-02

Abstract： Spintronics devices are widely used in aerospace， military and other high-tech fields， even in intelligent electric appliances， communications and other civilian fields， so it has attracted the increasing attention of scientists. We will study the electronic structure and magnetic properties of D03-type Mn3Al bulk alloy by theoretical simulation. According to the theoretical calculation， it is found that the Mn3Al alloy has not only 100% spin polarizability but also a semi-metallic electronic structure. The study on the magnetic properties of the alloy shows that it is a completely antiferromagnetic material. Mn3Al alloy is a semi-metallic antiferromagnetic material， so it is important to study Mn3Al alloy for the design of spintronics devices.

Keywords： Mn3Al alloy； density functional theory； electronic structure； magnetism

引言

自旋电子学器件具有不同于传统半导体器件的优势使它成为21世纪重要的研究方向之一。传统的电子学器件通常是利用电子的电荷特性，而自旋电子学器件是通过电子的自旋和电荷来进行运输的。相对于传统电子学器件来说，自旋电子学器件不仅具有更低的耗能、非易失性、更强大的数据储存能力，而且还具有更快速的信息处理能力和集成度高的优质特点。除此之外，它在磁记录读出磁头、磁传感器、磁性随机存储器等领域有着广泛的应用前景。尽管自旋电子学器件能够更好地满足科学发展和人类的需要，但是它在实际材料的需求上有著较高的要求。自旋电子学器件的制作的关键就在于如何能够将不同特征的电子有效的注入到半导体材料中，以此来达到实现自主运输的目的。正如我们所知的，现在很多的材料做成的自旋电子学器件都只能在低温的环境下运行，这带来了很多的不便。所以研究能在高居里温度下运行的自旋电子学器件的材料就显得尤为重要了。研究表明自旋电子学器件的性能和自旋极化率有着密切的联系，如果材料具有高的自旋极化率，也就是说在费米能级附近分别具有自旋向上和自旋向下的电子数目越不平衡，那么自旋电子学器件的性能就越好。

近年来，由于半金属材料的优点，使得它成为了大家研究的热点之一。1983年，de Groot及他的团队采用第一性原理计算方法在理论上首次发现half-Heusler 合金NiMnSb具有半金属性，越来越多的Heusler合金被研究证实其半金属性并被归为半金属铁磁体。Heusler合金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，而这些优点就使得这种合金在自旋电子器件的研究中具有重要意义。

虽然Mn3Al块体合金具有多种结构，其中最重要的一种结构是D03型。利用密度泛函理论计算的方法，本文研究了D03型Mn3Al块体合金的电子结构及磁性。

1 研究方法

本文采用的第一性原理计算，此次研究所有的计算工作都是在高性能计算机上运行Vienna Ab-inito Simulation Package（VASP）程序完成。计算过程中，我们采用广义梯度近似（GGA）方法，选取缀加投影波（PAW）来描述离子实与价电子之间的相互作用，平面波截断能取为350eV，利用Monkhorst-Pack方法生成17×17×17的k点网格，并且电子自洽计算的收敛标准被设为10-6Ev。在对Mn3Al块体合金进行结构优化和静态计算时，0.01eV被设为相关原子停止驰豫的标准。

2 结果分析

根据对处于平衡状态的Mn3Al块体计算的数据，我们绘制出了D03型Mn3Al块体合金态密度图，如图2所示。在块体的态密度图中，费米能级处的自旋极化电子的态密度曲线明显不对称，我们选择费米能级为能量零点。正如我们所知道的，通过对Mn3Al合金自旋极化电子结构的分析是判断其半金属性的有效方法之一。从图2中我们可以看到，自旋向下的态密度图穿过了费米能级，导致其在费米能级不存在带隙；而自旋向上的态密度图在费米能级处存在明显的带隙。所以自旋向上和自旋向下的图就分别表现出了半导体和金属的电子结构特征。这就表明D03型Mn3Al块体合金具有半金属性电子结构。

对于自旋电子器件来说，合金材料的磁性特征很重要。我们知道D03型Mn3Al块体合金材料的磁性主要来源于原子的自旋磁矩。从计算数据的分析，我们发现在D03型Mn3Al块体合金中，MnMn层的Mn2原子的磁矩是1.4？滋B，MnAl层的Mn1原子的磁矩是-2.8？滋B，Al原子的磁矩是0。并且MnMn层的Mn原子和MnAl层的Mn原子的磁矩方向相反，从而导致了D03型Mn3Al合金的总磁矩为0。相关研究表明Mn3Al合金具有完全反铁磁性。

3 结论

本文利用第一性原理计算了D03型Mn3Al块体合金材料的磁性和电子结构。对Mn3Al的磁性和电子结构的研究表明，Mn3Al合金不仅具有完全反铁磁性质而且还具有典型的半金属性。Mn3Al的半金属性就表明了这种材料具有100%的自旋极化率，这是制作电子自旋器件的理想材料。

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