Full-Heusler合金Ru2FeSi的结构和磁性

郑 伟, 吴 闯, 于桂英, 高 岩

(1. 沈阳科技学院 基础部, 沈阳 110167; 2. 沈阳师范大学 实验教学中心, 沈阳 110034)

0 引 言

图1 Heusler合金的结构示意图[3]Fig.1 Schematic diagram of Heusler alloy

自旋电子学作为一门新兴学科,与传统电子学不同,他不仅应用了电子的电荷属性,同时把电子自旋作为信息的载体,对信息进行更高效地处理或存储。在过去一些年中已经在计算机存储方面发挥了巨大的作用。自旋电子学材料也因此成为更多专家学者争相研究的焦点材料,在这其中,Heusler合金因其在自旋电子器件中的显著应用而更具吸引力,可用于制造巨磁阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)器件,它们也被用于机电应用[1-2]。Heusler合金通常被分为full-Heusler合金和half-Heusler合金,其中full-Heusler合金具有X2YZ结构,空间群为Fm-3m,half-Heusler合金为XYZ结构,空间群F-43m。其中X,Y为过渡金属元素,Z为主族元素,具体占位及空间结构如图1所示。

在Wyckoff 坐标系中,它的原子坐标分别为A位(0,0,0),B位(0.25,0.25,0.25),C位(0.5,0.5,0.5)及D位(0.75, 0.75, 0.75)。对half-Heusler合金,两过渡元素原子X、Y分别进入A位及B位,主族元素原子Z进入D位。此时,C位为空位。而对于full-Heusler合金两个过渡元素原子,X占据A位与C位,Y原子占据B位,主族元素原子Z进入D位。

到目前为止,对于Co基、Mo基和Fe基full-Heusler合金的研究已经非常全面,如Ishida等[4-5]利用第一性原理计算了full-Heusler合金Co2Mn Z(Z为IIIB、IVB、VB元素)以及Fe2Mn Y(Y=Al,Si,P)的电子结构,并预测Co2Mn Si、Co2Mn Ge和Fe2MnSi具有半金属性。研究者们也进行了对Mn2TiZ 系列化合物(Z 代表 Al,As,Bi,Ga,Ge,Sb,Si,Sn)的研究[6],Mn2NiAl的电子结构和形状记忆行为的研究[7],Fe2CoSi 中掺杂Cr后半金属性的变化研究[8]等。随着研究的深入,以其他过渡元素为基础的Heusler合金也开始呈现出来,如LiJia等[9]对Cr2VX(X=Ga,Si,Ge,Sb)化合物的研究,M.Rizwan等[10]对Ru2FeX(X=Si,Ge) full-Heusler合金的研究,甚至人们已经开启了对四元Heusler合金的研究,如ZrTiCrZ(Z=Al,Ga,In,Si,Ge,Sn)结构、磁性以及力学性质的研究[11]等。

1 研究的主要内容

1.1 Ru2FeSi合金的晶体结构

目前,Ru2基的Ru2FeSi赫斯勒合金已经开始被人关注,但主要的研究工作在合金的晶体动力学和声子色散以及声子密度问题上,并没有考虑到未来应用的可能性。在此工作中,采用了第一性原理平面波赝势法计算了Ru2基full-Heusler合金Ru2FeSi,并确定了合金的晶体结构和平衡晶格常数。此外,还研究了Ru2FeSi合金的电子结构、磁性,并详细分析了磁性的来源。

图2 Ru2FeSi合金的晶体结构Fig.2 Crystal structure of Ru2FeSi alloy

本文在计算中主要应用了CASTEP模块根据自旋极化密度泛函理论 (DFT)范围内的平面波赝势法进行。 在基于广义梯度近似(GGA)的PBE交换能泛函理论的基础上来完成。 首先使用CASTEP软件对Ru2FeSi进行了结构优化, 在计算中设置截断能为700 eV, K-point选择为12×12×12, 得到合金的空间结构如图2所示。

显然Ru原子占据(0,0,0)位置和(0.5,0.5,0.5)位置,Fe和Si原子则分别占据(0.25,0.25,0.25)和(0.75,0.75,0.75)位置。根据一些文献[12-14],d电子较少的元素倾向于占据B位点,而d电子较多的元素更容易占据(A,C)位点。因为Ru2FeSi合金中的元素Fe,其d电子少于Ru,故占据B位点,而元素Ru比Fe 的d电子多而占据A,C位,Si 占据了D位,这与Heusler合金的基本结构相符合。

为了比较结构的稳定性,分别对Ru原子和Fe原子的自旋方向做了设定,并计算出不同自旋状态下的结构的能量及对应的晶格常数,如表1所示。

从表1中可以看出,Ru2FeSi合金在铁磁状态下能量更低,更容易形成稳定结构,其晶格常数约为a=6.862 Å。可以得出结论,在稳定状态下,Ru2FeSi合金为一种铁磁性材料。

表1 不同自旋状态下结构的能量和晶格常数Tab.1 Energy and lattice constant of structures under different spin states

1.2 Ru2FeSi合金的磁性分析

为了更好地分析Ru2FeSi合金的磁性来源问题,本文对Ru2FeSi合金在平衡晶格常数a=6.862 Å时的态密度进行了计算,并且绘制了合金的自旋极化密度曲线,如图3所示。

图3 Ru2FeSi合金的自旋极化密度曲线Fig.3 Spin polarization density of Ru2FeSi alloy

由图3不难看出,在费米能级附近,在自旋向上和自旋向下2个方向上,合金都展示出了金属特性。由于在自旋向上和自旋向下2个方向上的自旋极化密度曲线是非对称的,这说明Ru2FeSi合金具有良好的磁性。在费米能级上总态密度不为零,且自旋向下方向的总态密度约为-15.1 eV,而Ru原子和Fe原子的态密度分别为-12.5 eV和-2.6 eV,Si原子的态密度大于-1.0 eV,认为贡献很小。因此可以认为,在费米能级附近,Ru原子和Fe原子在自旋方向上的非对称性是合金磁性的主要来源,而且Si原子自旋对磁性的影响不大。为了进一步说明磁性来源的具体信息,绘制了Ru2FeSi合金总态密度和各个原子投影的态密度以及各个原子不同电子(p,d,s)的态密度曲线,如图4所示。

图4 Ru2FeSi合金分波态密度、Ru和Fe原子不同电子的态密度Fig.4 Partial density of Ru2FeSi alloy, density density of different electrons of Ru and Fe atoms

由图4(a)容易发现,在费米能级附近,Ru原子的d电子和Fe原子的d电子的自旋贡献远大于s和p电子的自旋贡献,结合图4(b)中Ru原子和Fe原子投影的态密度,可以确定Ru2FeSi合金中Ru原子和Fe原子自旋对磁性的贡献主要源于2种原子d电子的自旋。考虑到在费米能级附近Si原子在自旋向上和自旋向下2个方向上的能量都较低,低于2.5 eV,进一步验证了Si原子自旋对合金磁性影响不大。

考虑在费米能级附近态密度峰值的位置相互错开,可以看出Ru原子的d电子和Fe原子的d电子都在费米能级附近发生了劈裂,结合合金的总态密度曲线,2种原子的电子在各自发生劈裂的同时也发生了相互杂化[15]的过程。由此可以得出结论,Ru2FeSi合金磁性的主要原因是在费米能级附近,Ru原子的d电子和Fe原子的d电子发生劈裂且又发生相互杂化。

2 结 论

Ru2FeSi合金具有full-Heusler合金X2YZ的稳定结构,是一种磁性很好的铁磁性金属材料,平衡晶格常数为6.862 Å。其磁性的主要来源于是在费米能级附近,Ru原子的d电子和Fe原子的d电子发生劈裂且又相互杂化。