密度泛函理論對高居里溫度Heusler鐵磁合金表面-界面能帶調整和相結構調控的研究.pdf

1、密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）作為一種處理多電子體系的量子力學方法，已經成為研究材料基態(tài)結構等性質的強有力工具；一方面可以探討材料物性的微觀機理，另一方面可以預測未知材料的特性，為實驗研究提供先導。本論文應用密度泛函理論對高居里溫度Heusler鐵磁合金表面/界面能帶調整和相結構調控進行了研究。
　　利用電子自旋自由度的自旋電子學器件由于具有更低的能耗、更強大的數據儲存能力以及更快速的信

2、息處理能力等優(yōu)點而得以迅速的發(fā)展。自旋電子學器件，如基于隧道磁電阻效應的磁性隧道結和基于巨磁電阻效應的自旋閥等，在硬盤驅動器超高速讀取磁頭、磁性隨機存儲器和磁傳感器等方面有著巨大的應用潛力。一款優(yōu)秀的自旋電子學器件必須具備較高的隧道磁電阻值，而隧道磁電阻值嚴重依賴于電極材料的自旋極化率。基于密度泛函理論計算的研究表明，許多Heusler合金的自旋極化率高達100％，并且由于具有高于室溫的居里溫度以及與GaAs、MgO等半導體較小的晶格失

3、配率，成為自旋電子學器件中最佳電極材料之一。然而一些實驗指出，在制備出來的Heusler合金塊體中并沒有探測到理論上被證實的完全自旋極化。在以Heusler合金作為電極材料的磁隧道結雖然獲得了較高的隧道磁電阻值，但是依然沒有達到人們的預期；此外，隧道磁電阻值隨著溫度的升高而迅速降低。因此，為了揭示Heusler合金塊體中自旋極化率減弱以及隧道磁電阻值隨溫度降低的原因，尋找出可行的解決方案，推動自旋電子學器件的進一步發(fā)展，我們采用密度泛函

4、理論計算，對高居里溫度Heusler鐵磁合金及其表面/界面能帶調整和相結構調控進行了研究。首先我們討論了Heusler合金塊體中原子無序、非化學配比對自旋極化率、磁性質的影響。其次，我們進一步研究Heusler合金表面的電子結構、原子弛豫以及磁性變化。基于以上研究，我們探討了Heusler合金與半導體構成的異質結界面上原子相互作用、界面原子磁性、界面自旋極化率以及界面原子無序效應。
　　我們具體做了以下幾方面的工作：
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5、.基于密度泛函理論方法，我們研究了Heusler合金的塊體性質。首先，討論了LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi的電子結構、磁性和半金屬性，發(fā)現CoFeMnSi的空間群為F43m，具有5.601?的計算晶格常數以及4μB的原胞總磁矩，并與實驗結果符合的很好。解釋了CoFeMnSi半金屬帶隙來源于Co、Fe和Mn三種磁性原子d電子軌道之間的相互雜化，指出磁矩滿足Slater-Pauling規(guī)律，晶格常數5.3?-5.65?

6、范圍內均具有良好的半金屬性。由于Heusler合金的自旋極化率對結構的改變非常敏感，因此我們進一步研究了原子無序效應對CoFeMnSi電磁性質的影響。在所構建的12種占位無序結構和6種交換無序結構中，Co(Fe)、Mn(Fe)和Si(Mn)占位無序以及Co-Fe交換無序由于具有較低的形成能，在CoFeMnSi制備過程中出現的概率很大。電子結構計算表明，原子無序效應使得CoFeMnSi半金屬帶隙受到了不同程度的萎縮，然而除了Co(Mn)、

7、Co(Si)占位無序和Co-Mn、Co-Si交換無序徹底破壞了體系的半金屬性之外，其余原子無序結構中均保持具有半金屬帶隙和100%的自旋極化率。因此LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi對大部分的原子無序具有良好的抵抗力，值得我們進一步的探索和利用。
　　此外，由于在以Co2MnSi為電極材料的磁隧道結中，Mn原子含量的增加會顯著提升隧道磁電阻值，受此啟示，我們利用密度泛函理論計算，探討了非化學配比的Cu2MnAl型

8、Heusler合金Co2MnAl中Mn原子含量對其自旋極化率的影響。計算結果顯示，Co2MnAl的空間群為Fm3m，在Mn-void、CoMn和 AlMn三種Mn貧結構中，CoMn和AlMn由于形成能為負值，非常容易出現。在AlMn型Mn貧結構中，隨著Mn原子含量的降低，體系的半金屬性和自旋極化率并未受到顯著地改變；與此不同的是，在CoMn型Mn貧結構中，體系的自旋極化率隨著Mn原子含量的降低而大幅衰減，進一步的計算表明，雜質Co原子的

9、介入是導致其自旋極化率受損的最主要原因。在MnCo和MnAl兩種Mn豐結構中，MnCo最容易出現。在MnCo型Mn豐結構中，體系磁性隨Mn原子含量的變化非常符合Slater-Pauling規(guī)律，電子結構計算表明，當Mn原子含量α=1.875時，所對應的合金Co1.125Mn1.875Al具有較寬的半金屬帶隙以及100%的自旋極化率，因此MnCo型 Mn豐結構可以有效的提升非化學配比Co2MnAl的自旋極化率。
　　2.基于密度泛函

10、理論方法，研究了Hg2CuTi型Heusler合金Ti2CoAl(100)表面。計算表明，Ti2CoAl的空間群為F43m，在其(100)表面5種不原子端面結構中，表面原子發(fā)生了不同程度的弛豫。此外，由于表面處體系的周期晶體場被破壞，表面原子喪失了一半的緊鄰原子，從而使得大部分表面原子的磁矩得到了增強。電子結構計算指出，一些具有d電子特征的能態(tài)出現在表面原子自旋向下帶隙中，嚴重損壞了表面半金屬性；這些能態(tài)在第二層原子中能量降低，并且在第

11、三層原子中幾乎消失，我們推斷這些能態(tài)為表面態(tài)。因此，表面態(tài)的出現會造成Heusler合金表面自旋極化率的下降。
　　3.在對Heusler合金塊體和表面研究的基礎上，采用密度泛函理論計算，我們研究Heusler合金異質結界面性質。首先，構建了LiMgPbSn型Heusler合金CoFeMnSi與半導體GaAs構成的異質結，根據界面原子連接方式的不同，共計算了4種頂位結構界面和4種橋位結構界面。我們發(fā)現，純Si原子界面在頂位和橋位結

12、構中均可以穩(wěn)定存在，穩(wěn)定的CoFe原子界面存在于橋位結構和Fe豐條件下的頂位結構，而穩(wěn)定的MnSi和MnMn界面只存在于頂位結構中。電子結構計算表明，界面態(tài)的出現使得界面自旋極化率嚴重下降。然而在MnMn頂位結構中，界面Mn原子保留了半金屬帶隙，界面自旋極化率高達100%。因此CoFeMnSi-MnMn/GaAs/CoFeMnSi-MnMn隧道結將會獲得較高隧道磁電阻。
　　最近，Hg2CuTi型Heusler合金Mn2CoAl已

13、被證實為自旋無隙半導體，電子和空穴都可以被激發(fā)并具有100%的自旋極化率，因此我們構建了其與半導體GaAs組成的異質結，并模擬了6種頂位結構和6種橋位結構界面。熱力學穩(wěn)定相圖指出，頂位結構的純Mn原子界面最為穩(wěn)定也最容易獲得；通過對界面原子弛豫結果分析，我們發(fā)現界面Mn原子與界面As原子會形成穩(wěn)固的Mn-As鍵，而界面Co原子向內層收縮，傾向與界面第二層原子成鍵。與在CoFeMnSi/GaAs或Co2MnSi/GaAs異質結中不同的是，

14、在Mn2CoAl/GaAs異質結中純Mn原子端面并沒有改善界面電子結構，而處于頂位結構的MnAl原子界面結構擁有最高的自旋極化率，值得人們重點關注。
　　此外，由于在當今薄膜制備技術條件下，合金在生長過程中將會不可避免的發(fā)生原子無序，因此我們進一步的探討了界面原子無序對Mn2CoAl/GaAs異質結界面原子相互作用、磁性以及自旋極化率的影響。在所構建的13種界面原子交換無序和16種界面原子占位無序中，計算結果表明界面Mn原子極易被