heusler合金sc2vz(z=c,si,ge,sn,pb)半金属铁磁性

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1、Heusler合金Sc2VZ(Z=C,Si,Ge,Sn,Pb)半金属铁磁性的第一性原理研究刘兴军,王正伟,许伟伟,韩佳甲,王翠萍*（厦门大学材料学院，福建厦门361005)摘要：本研究采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的投影缀加波方法(PAW)，结合广义梯度近似(GGA)，系统研究了Hg2CuTi型Heusler合金Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)的电子结构和磁性．研究发现Heusler合金Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)在平衡晶格常数下表现出半金属铁磁性，其自旋向上态中的带隙宽度分别为0.345，

2、0.354，0.387和0.173eV．计算得到Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)的总自旋磁矩均为整数(3.00μB)，符合Slater-Pauling规则．分析能带与态密度发现，半金属带隙的产生主要是由于Sc和V原子d态电子之间强烈的杂化作用所致．同时计算结果也表明，在一定程度的晶格常数变化范围内，Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)合金仍能保持其半金属性质．关键词：第一性原理；半金属铁磁性；Heusler合金；电子结构；磁性中图分类号：O469文献标志码：A自旋电子学是一门以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这

3、些特性设计、开发新型电子器件为主要内容的交叉学科．它在信息存储领域具有广阔的应用前景，因而受到学术界和工业界的广泛关注[1]．目前自旋电子学所遇到的关键问题之一是如何高效地将自旋电流从铁磁性材料注入到半导体材料之中．而半金属Heusler合金因具有独特的电子结构，即一种自旋方向的能带呈现金属性，另一种自旋方向的能带呈现半导体性，从而使得费米能级附近的传输电子的自旋极化率为100%，被认为是理想的半导体自旋电流注入源[2]．另外，Heusler合金还具有较高的居里温度、较大的磁矩，而且它们与广泛应用的闪锌矿结构二元半导体有着相

4、似的晶体结构[3,4]．早在20世纪80年代，DeGroot等[5]便预测出半Heusler合金MnNiSb具有半金属性．不久，Kübler等[6]预测出全Heusler合金Co2MnSn和Co2MnAl也具有的半金属性．在随后的基于密度泛函理论的研究中，一些Mn-基[4,7]、Fe-基[8,9]、Ru-基[10,11]、V-基[12]、Co-基[13,14]、Cr基[15,16]Heusler合金也被预收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点项目(50971109)；*通信作者：王翠萍wangcp@xmu.edu.cn1测

5、出具有半金属性．基于这些理论研究，研究者开始围绕着Heusler合金的磁性以及输运性能开展开大量的实验研究，一些Heusler合金现已成功地应用于自旋电子器件中．例如，Co2MnGe应用于电流垂直平面巨磁阻自旋阀中的铁磁层材料[17]，Co[18,19]2VAl也应用于隧穿磁阻结．近年来，研究人员发现一些Sc基Heusler合金也具有半金属性[20,21]．据报道，Hg2CuTi结构的Sc2CrZ(Z=Si，Ge，Sn)Heusler合金半金属性的产生主要是由于3d过渡金属Sc和Cr原子的d态电子之间强烈的杂化作用[20]所

6、致．在Sc[21]2MnZ(Z=Si，Ge，Sn)Heusler合金的研究中也得出了类似结论．由于过渡金属元素V，Cr和Mn作为相近邻的元素通常会表现出相似的物理性质，因此有必要对Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)合金开展研究工作．目前除了Sc[22]2VSiHeusler合金被报道具有半金属性以外，还没有关于Sc2VZ(Z=C，Ge，Sn，Pb)Heusler合金的研究报道．本研究将采用第一性原理的方法对Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)Heusler合金的电子结构以及磁学性能展开系统的研究．1理论模型

7、和计算方法1.1理论模型Heusler合金的化学式为X2YZ，其中X、Y代表过渡金属元素，Z代表主族元素．通常Heusler合金具有两种类型的L21结构：Cu2MnAl和Hg2CuTi型晶体结构．据报道，当Y原子的3d电子数多于同一周期的X原子时，Heusler合金更倾向于形成Hg2CuTi型晶体结构[2,16,23]．由于在Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)Heusler合金中，V元素的3d电子数多于Sc元素，因此在本研究中，Sc2VZHeusler合金采用_Hg2CuTi型晶体结构(F43m，No.216)．如

8、图1所示，Sc原子主要占据着Wyckoff坐标系中4a(0,0,0)和4d(3/4,3/4,3/4)原子位置，V原子和Z(Z=C,Si,Ge,Sn,Pb)原子分别占据4b(1/2,1/2,1/2)和4c(1/4,1/4,1/4)原子位置[24]．1.2计算方法本研究采用基于密度泛函理论的投