Heusler合金中近半金属性质的讨论：一种近半金属性质评估标准

万 鹏，苑晓丽

(河海大学 理学院，南京211100)

1 引 言

近二十年来，Heusler合金受到自旋电子学领域的广泛关注，由于其中发现了大量的半金属材料，这些半金属材料在自旋电子学领域有很多实际的应用，如磁隧道结[1]、巨磁阻(GMR)器件[2]、自旋晶体管[3]、磁阻随机存取存储器或硬盘驱动器的读出磁头[4]等.半金属材料由于其特殊的电子结构成为最具特色的自旋电子电子学材料，这类特殊的电子结构表现为它们的能带结构分成了自旋向上和自旋向下两个部分，其中一个自旋通道穿过了费米能级，表现为金属性；而另一个自旋通道在费米能级处存在一个带隙，表现为半导体[5].此外，Heusler合金已被人们发现具有超导、拓扑绝缘子、形状记忆、流动磁性以及Pauli顺磁性等功能特性[6-9].

如今在Heusler化合物中发现了一大类具有自旋极化但又不能轻易地判定为半金属或金属的金属间化合物.为了更全面地利用Heusler化合物为自旋电子学提供选择，本文提出了一种关于近半金属与金属之间的评估判据.

2 计算细节

本文计算的所有三元Heusler化合物的原始晶格均来自AFLOW数据库.所有的计算均在量子力学计算软件包Viennaabinitiosimulation package(VASP)[10-13]中进行，采用了广义梯度近似(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法来描述密度泛函理论(DFT)的交换关联函数.选取了所有元素的PAW[14]赝势集和500 eV的平面波截止能量，布里渊区积分K点采用15×15×15的Monkhorst-Pack方案[15]进行.所有的晶体结构都是完全弛豫的，连续两个离子步的能量变化小于1×10-6eV，每个离子上的力在0.02 eV/Å内收敛.

3 讨 论

当一种材料的一个自旋通道在费米能级处或费米能级附近存在一个真实的带隙或赝隙时，如果费米能级落在这个真实的带隙内，那么这种材料通常被称为半金属材料.对于另外的情况，即费米能级处存在一个赝隙；或费米能级落在真实的带隙的边缘以外；或费米能级落在赝隙外，就需要考虑到是否直接归类为金属材料.为了让这类材料能够为自旋电子学等领域提供选择，在这里讨论了适合用于自旋电子学领域的近半金属材料具备的电子结构.

对于费米能级落在真实的带隙的边缘以外的情况：在这种情况下，如果要适用于自旋电子学，则需要满足在费米能级处具备大的自旋极化率，或者规定一个值，使得带隙距费米能级的距离在这个值内，通过加压或掺杂等手段使得这些材料的费米能级向带隙处移动.Ma等人[16]建议这个值选择为0.2个电子态，即带隙附近能级之间差值的0.2倍，这种方法有利于将材料的近半金属性与磁性联系起来.此外，由于计算与实验之间的误差，甚至可以简单地选择一个数值，本文建议将这个值选择为0.30 eV左右，因为0.30 eV实际上约等于许多此类材料0.2个电子态的值，这种选择更容易快速地分辨出近半金属材料.另一方面，在基态结构下，还需要考虑铁磁层间的电导的情况(自旋电子学器件典型的三明治结构)，即磁矩反平行时:

GAP∝aFM1aFM2+(1-aFM1)(1-aFM2)，

磁矩平行时：

GP∝aFM1(1-aFM2)+(1-aFM1)aFM2，

对于费米能级落在赝隙外的情况：在这种情况下，除非赝隙相对平缓并有较大缓冲(按第二种情况考虑)，一般可直接将该材料判断为金属.

讨论几个例子作为参考：

1.ZrMnFeAl：自旋向上通道在费米能级附近有一个赝隙，并且不具备高电导，可认为是近半金属材料，态密度如图1所示；

2.Sc2MnAl：自旋向上通道在费米能级附近0.30 eV范围内有一个真实的隙，可认为是近半金属，态密度如图2所示；

3.V2FeAl：两个方向的自旋态密度的带隙均距离费米能级0.30 eV以内，可认为是近半金属，态密度如图3所示；

4.YMnGe：自旋向上通道中的带隙在费米能级附近0.30 eV以内，判断为近半金属材料，态密度如图4所示；

5.ScMnAl：在自旋向上的态密度图中可以看出，真实带隙的边缘距离费米能级超过了0.30 eV和0.2个电子态，按本文标准归类于金属材料，态密度如图5所示；

6.Zr2MoAl：两个自旋通道的赝隙均在距费米能级0.30 eV以内，但其仅具有轻微磁矩，该相甚至竞争不过其他相，直接判断为金属，态密度如图6所示；

表1中同时给出以上算例的磁矩作为参考.

表1 以上算例的平衡晶格常数a(Å)和体系总磁矩M(μB)

4 小 结

总之，本文给出了一种从电子结构方面判断近半金属的标准，具体为：(1)具备一定的磁性；(2)费米能级落在距真实带隙0.30 eV或 0.2个电子态以内；如果是赝隙，则要求该材料不具备高电导.并通过 ZrMnFeAl、Sc2MnAl等几个例子加以解释说明.这些近半金属材料有望在没有与半导体晶格适配的半金属的情况下替代半金属而应用于自旋电子学，这为自旋电子学工业提供了更多选择.