（理论物理专业论文）halfheusler合金comn1xnbxsb电子结构和磁性的第一性原理研究.pdf

两南人学硕十学何论文 摘要 h a l f - h e u s l e r 合金c o m n l - x n b x s b 电子结构和磁 性的第一性原理研究 理论物理专业硕士研究生吴兴月 指导教师陈洪教授 摘要 自从1 9 8 3 年d eg r o o t 和他的团队第一次从理论上计算发现了h a l f - h e u s l e r 合金n i m n s b 为半金 属铁磁材料以来，h e u s l c r 合金得到了广泛的研究。最近儿年里，在该类材料中还相继发现了许多新 的物理现象，例如：强铁磁性，大磁致伸缩、磁致结构相变以及温控和磁控形状记忆等。由于以上 特性，使得它在磁记录、实现自旋电子器件如磁隧道结或者低场磁阻传感器，航空航天，医学，工 程等领域有着广泛的应用前景，并且由于该类合金的居里温度大多在室温以上具有很好的适用价值 使得该类合金得到了凝聚态物理学，材料科学界的广泛研究。 h a l f - h c u l s e r 合金c o m n s b 的居里温度达到了4 9 0 k ，高于室温，具有很好的应用前景。对c o m n s b 的品格结构，电子结构和磁性已经有了相关的理论研究，研究表明h a l f - h e u l s e r 合金c o m n s b 具有 半金属性，由于d _ d 杂化使得m n 原子局域了较人的磁矩。本文以h a l f - h e u l s e r 合金c o m n s b 基本构 型，在m n 位置掺入了不同浓度的n b 元素，在密度泛函理论( d f r ) 框架下，对c o m n s b 在电子 掺杂情况下的晶体结构，电子结构和磁性质进行了计算和分析。 我们首先介绍了研究背景，然后对第一性原理方法的基本原理和最新进展进行了概括性的论述。 最后通过采用密度泛函理论下的广义梯度近似计算了h a l f - h e u s l e rc o m n l - x n b x s b ( x = o ，0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ，1 ) 合金的品格常数、电子结构，自旋分布以及磁矩。通过几何结构优化和能量计算， 得到了材料的品格常数，电子结构，白旋分布，以及磁矩的大小。分析了n b 电子掺杂对h a l f - h e u l s e r 合金c o m n s b 材料结构的影响，通过分析得到当掺杂浓度x 0 7 5 时，c o m n l x n b 。s b 合金具有半金属 铁磁性质，并且自旋磁矩随着n b 掺杂的增加而线性地减小，和s l a t e r - p a u l i n g 曲线符合得很好当掺 杂浓度x = l 时，体系从铁磁半金属转化成泡利金属 关键词：h a l f - h e u s l e r 合金；密度泛函理论( d i 丌) ；半金属；电子结构：磁性 两南人学硕十学位论文 a b s t r a c t j 萱i 宣i i i i | i i i i i i i i i i i i 萱i i i i | i i i 一i i i i i i i i i e l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fh a l f - h e u s l e ra l l o y s c o m n l x n b x s b ：f i r s t p r i n c i p l e ss t u d y m a j o r ：t h e o r e t i c a lp h y s i c s a d v i s o r ：p r o f h o n gc h e n a u t h o r ：w ux i n g y u e a bs t r a c t s i n c ed eg - r o o ta n dh i st e a md i s c o v e r e dt h a th a l f - h e u s l e ra l l o yn i m n s bi sh a l f - m e t a l l i cf e r r o m a g n e t i c m a t e r i a lf o rt h ef i r s tt i m e ，i n19 8 3 h e u s l e ra l l o yh a sb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y r e c e n t l y al o to fn e w p h y s i c a lp h e n o m e n ah a v ea l s ob e e no b s e r v e di nt h e s em a t e r i a l s ，s u c ha ss t r o n gf e r r o m a g n e t i s m , t h el a r g e m a g n e t o s t r i c t i o n ，m a g n e t o s t r u c t u r a lp h a s et r a n s i t i o n ，a sw e l la ss h a p em e m o r y c o n t r o l l e db yt e m p e r a t u r e a n dm a g n e t i s m d u et ot h ea b o v en o v e lc h a r a c t e r s ，t h i sk i n do fc o m p o u n d sh a v eaw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si nm a g n e t i cr e c o r d i n g ，t h er e a l i z a t i o no fs p i ne l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e ，m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o no r t h el o w f i e l dm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r ) ，a e r o s p a c e ，m e d i c a l ，e n g i n e e r i n ga n do t h e rf i e l d s a l s o ，b e c a u s et h e c u r i et e m p e r a t u r eo ft h e s ea l l o y si sm o s t l yh i g h e rt h a nr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e ya r er e g a r d e da sa n i m p o r t a n tp a r to fb o t hc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c sa n dm a t e r i a l ss c i e n c e a m o n g h e u s l e ra l l o y , h a l f - h e u l s e ra l l o yc o m n s bi sk n o w na sh a v i n gt h ec u r i et e m p e r a t u r e ( t 0o f u p t o4 9 0kt h a th a sg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t t h e o r e t i c a l r e s e a r c hr e l a t e dt ot h el a t t i c e s t r u c t u r e ，e l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fc o m n s bs h o w st h a ti ti ss e m i - m e t a l l i cs i n c em n a t o mh a sal a r g e rl o c a lm a g n e t i cm o m e n tb e c a u s eo fd dh y b r i d b a s e do nh a l f - h e u l s e ra l l o yc o m n s ba sa b a s i cc o n f i g u r a t i o n ，w ed o p e dt h en be l e m e n to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa tt h el o c a t i o no fm n ，a n dt h e n c a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h el a t t i c es t r u c t u r e ，e l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s i nt h e e l e c t r o n - d o p e dc a s eu s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yi n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n dt h e ng i v eag e n e r a ld i s c u s s i o no nt h e b a s i cp r i n c i p l e sa sw e l la st h el a t e s td e v e l o p m e n ti nt h ef i r s t - p r i n c i p l e sm e t h o d s f i n a l l y ，t h r o u g ht h eu s eo f t h eg e n e r a l i z e dg r a d i e n ta p p r o x i m a t i o nu n d e rd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ，w ec a l c u l a t el a t t i c ec o n s t a n t s ， e l e c t r o n i cs t r u c t u r e ，s p i nd i s t r i b u t i o na n dm a g n e t i cm o m e n to ft h eh a l f - h e u s l e rc o m n l - x n b x s b ( x2 0 , 0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ，1 ) a l l o y t h r o u g ht h eg e o m e t r yo p t i m i z a t i o na n de n e r g yc a l c u l a t i o n ，t h el a t t i c ec o n s t a n t ， e l e c t r o n i cs t r u c t u r e ，s p i nd i s t r i b u t i o n ，a sw e l la st h es i z eo fm a g n e t i cm o m e n to ft h em a t e r i a lh a v eb e e n o b t a i n e d i tw a sf o u n dt h a tf o rd o p i n gl e v e lx ( 2 12 ) 这里是基态波函数。 假设存在另外一个y ( r ) ，也具有同样的密度函数p 。( r ) ：p ( ，) ，下面证明这种现象 是不可能的。 记日为含y ( 厂) 的哈密顿量，它的基态为，能量期待值为e ；而日。为含y ( ，- ) 的哈 密顿量，它的基态为o7 、能量期待值为e7 。根据变分原理，对于真正的基态，总有： 曲雨人。7 ：帧十。7 ：何论文第二苹基础理论干讣贸万法 e = ( 7 i g p ) ( f 日i ) = ( f 胃+ 矿7 一矿f ) = e + 胁( ，) 卜7 ( ，) 一v ( ，) 】( 2 - 1 3 ) 于是得到 e 7 e + ，d r p ( ，) 卜( ，) 一v ( r ) 】 ( 2 1 4 ) 完全同样的可以从 e = ( 1 日l ) ( 7 ho 7 ) = ( i h + v - v7 i o7 ) = e + ，d r p ( r ) 卜( ，) 一，( ，) 】( 2 - 15 ) 得到 e e + ，d r p ( ，) 卜( ，) 一v 训( 2 - 1 6 ) 从以上证明可知e + e 是 旦 卫 旦 c ，) o o ；_ = ( ! 八 门 一一f 一 ? o _ 、7l 丫厂、_ - v、一i 、 - 八一、vv 、- 、，、l l 、_ 一 _ 、。_ iv厂一 ：一一、 。、一 厂、广，一一一 -i- 己：父! 小，八 一，、，、一、 、广 、一厂”。” -一-i ：一八一一，、，、l 一 v 、 、 一，_ 4 v y 、，一。 ii - 6- 4 - z0z46 e n e r g y ( e v ) 图3 2c o m n l x n b 。s b 合金的总态密度 对x = 0 的态密度图一6 5 e v 以下主要是s b 原子的s 电子态密度它们被典型的c 1 b 杂 化隙( c l b t y p i c a lh y b r i d i z a t i o ng a p ) 与d 态分离而在含s b 元素的这种杂化隙可以达到3 4 e v ，这说明在b 位的过渡金属与s b 原子形成了强的共价键 6 8 在掺入n b 杂质后， 一3 2 e v ，一5 6 e v 附近分别局域了n b 原子的p 电子和s 电子，所有这些电子对d - d 杂化没 有贡献，所以在d o s 图中没有画出在d o s 图中的低能部分- s e v 附近主要局域了s b 的p 电子，它们和c o ，m n 的p ，d 电子，n b 的d 电子杂化并且决定着p - d 轨道被占据的程 度c o ，m n 的3 d 电子和n b 的4 d 电子巡游性极强，主要占据一4 e v 到3 e v 的状态，因此导 致了c o ，m n ，n b 的强烈杂化 为了更深入地研究c o m n l x n b 。s b 体系的电子结构，图3 3 中列出了当 x = o ，0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ，1 时，合金各原子的分波态密度图i g a l a n a k i s 等人 2 1 】研究h a l f - h e u s l e r 合金带隙起源时指出，高价过度金属( 例如c o ) 的低能d 态和低价过渡金属( 例如m n ) 高能d 态杂化形成成键态和反键态它们之间形成一个带隙，成键态主要集中在高价过渡 金属位而被占据，而未被占据的反键态主要集中在低价过渡金属位从图3 3x - - o 的分波 态密度图中可以看出自旋向下的被占据成键d 态主要局域在c o 位，而未被占据的反键 ；幻们。加伽加佃。加留竹。加加伯。竹鹞加们。佃加 两南人学硕十学位论文第三章h a l f - h e u s l e r 合金c o m n l _ x n b 、s b 的电子结构和磁性研究 d 态主要局域在m n 位，它们之i 日j 形成了一个0 9 1 3 e v 的带隙，费米面刚好处在带隙的 左边边缘，这和文献【2 1 得到的c o m n s b 合金态密度图一致从图3 3 中的态密度图可以 很清楚的看出当x = 0 ，0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 时，m n 原子两个自旋方向都存在两个尖峰，这是 由于m n 原子的周围有四个c o 原子在体心