Mn3Al塊體合金下的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算論文

　　摘要：自旋電子學(xué)器件在航天、軍事等高科技領(lǐng)域，甚至在智能家電、通訊等民用領(lǐng)域都有廣泛的利用，因此它也引起了科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。我們將對(duì)D03型Mn3Al塊體合金的電子結(jié)構(gòu)和磁性利用理論模擬計(jì)算方法進(jìn)行研究。根據(jù)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)Mn3Al合金不僅具有100%的自旋極化率而且還有半金屬特性的電子結(jié)構(gòu)。關(guān)于合金磁性計(jì)算研究表明它是完全反鐵磁性材料。Mn3Al合金是一種半金屬完全反鐵磁材料，所以研究Mn3Al合金對(duì)自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：Mn3Al合金；密度泛函理論；電子結(jié)構(gòu)；磁性

　　自旋電子學(xué)器件具有不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)使它成為21世紀(jì)重要的研究方向之一。傳統(tǒng)的電子學(xué)器件通常是利用電子的電荷特性，而自旋電子學(xué)器件是通過(guò)電子的自旋和電荷來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸?shù)�。相�?duì)于傳統(tǒng)電子學(xué)器件來(lái)說(shuō)，自旋電子學(xué)器件不僅具有更低的耗能、非易失性、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力，而且還具有更快速的信息處理能力和集成度高的優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)。除此之外，它在磁記錄讀出磁頭、磁傳感器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。盡管自旋電子學(xué)器件能夠更好地滿(mǎn)足科學(xué)發(fā)展和人類(lèi)的需要，但是它在實(shí)際材料的需求上有著較高的要求。

　　自旋電子學(xué)器件的制作的關(guān)鍵就在于如何能夠?qū)⒉煌�特征的電子有效的注入到半�?dǎo)體材料中，以此來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)輸?shù)哪康�。正如我們所知的，現(xiàn)在很多的材料做成的自旋電子學(xué)器件都只能在低溫的環(huán)境下運(yùn)行，這帶來(lái)了很多的不便。所以研究能在高居里溫度下運(yùn)行的自旋電子學(xué)器件的材料就顯得尤為重要了。研究表明自旋電子學(xué)器件的性能和自旋極化率有著密切的聯(lián)系，如果材料具有高的自旋極化率，也就是說(shuō)在費(fèi)米能級(jí)附近分別具有自旋向上和自旋向下的電子數(shù)目越不平衡，那么自旋電子學(xué)器件的性能就越好。近年來(lái)，由于半金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，使得它成為了大家研究的熱點(diǎn)之一。1983年，deGroot及他的團(tuán)隊(duì)采用第一性原理計(jì)算方法在理論上首次發(fā)現(xiàn)half-Heusler合金NiMnSb具有半金屬性，越來(lái)越多的Heusler合金被研究證實(shí)其半金屬性并被歸為半金屬鐵磁體。Heusler合金具有獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)、形狀記憶效應(yīng)、半金屬性、拓?fù)浣^緣等性能，而這些優(yōu)點(diǎn)就使得這種合金在自旋電子器件的研究中具有重要意義。雖然Mn3Al塊體合金具有多種結(jié)構(gòu)，其中最重要的一種結(jié)構(gòu)是D03型。利用密度泛函理論計(jì)算的方法，本文研究了D03型Mn3Al塊體合金的電子結(jié)構(gòu)及磁性。

　　1研究方法

　　本文采用的第一性原理計(jì)算，此次研究所有的計(jì)算工作都是在高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行ViennaAb-initoSimulationPackage（VASP）程序完成。計(jì)算過(guò)程中，我們采用廣義梯度近似（GGA）方法，選取綴加投影波（PAW）來(lái)描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，平面波截?cái)嗄苋��?50eV，利用Monkhorst-Pack方法生成17×17×17的k點(diǎn)網(wǎng)格，并且電子自洽計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)為10-6Ev。在對(duì)Mn3Al塊體合金進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靜態(tài)計(jì)算時(shí)，0.01eV被設(shè)為相關(guān)原子停止馳豫的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2結(jié)果分析

　　根據(jù)對(duì)處于平衡狀態(tài)的Mn3Al塊體計(jì)算的數(shù)據(jù)，我們繪制出了D03型Mn3Al塊體合金態(tài)密度圖，如圖2所示。在塊體的態(tài)密度圖中，費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化電子的態(tài)密度曲線明顯不對(duì)稱(chēng)，我們選擇費(fèi)米能級(jí)為能量零點(diǎn)。正如我們所知道的，通過(guò)對(duì)Mn3Al合金自旋極化電子結(jié)構(gòu)的分析是判斷其半金屬性的有效方法之一。從圖2中我們可以看到，自旋向下的態(tài)密度圖穿過(guò)了費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致其在費(fèi)米能級(jí)不存在帶隙；而自旋向上的態(tài)密度圖在費(fèi)米能級(jí)處存在明顯的帶隙。所以自旋向上和自旋向下的圖就分別表現(xiàn)出了半導(dǎo)體和金屬的電子結(jié)構(gòu)特征。這就表明D03型Mn3Al塊體合金具有半金屬性電子結(jié)構(gòu)。對(duì)于自旋電子器件來(lái)說(shuō)，合金材料的磁性特征很重要。我們知道D03型Mn3Al塊體合金材料的磁性主要來(lái)源于原子的自旋磁矩。從計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)在D03型Mn3Al塊體合金中，MnMn層的Mn2原子的磁矩是1.4μB，MnAl層的Mn1原子的磁矩是-2.8μB，Al原子的磁矩是0。并且MnMn層的Mn原子和MnAl層的Mn原子的磁矩方向相反，從而導(dǎo)致了D03型Mn3Al合金的總磁矩為0。相關(guān)研究表明Mn3Al合金具有完全反鐵磁性。

　　3結(jié)論

　　本文利用第一性原理計(jì)算了D03型Mn3Al塊體合金材料的磁性和電子結(jié)構(gòu)。對(duì)Mn3Al的磁性和電子結(jié)構(gòu)的研究表明，Mn3Al合金不僅具有完全反鐵磁性質(zhì)而且還具有典型的半金屬性。Mn3Al的半金屬性就表明了這種材料具有100%的自旋極化率，這是制作電子自旋器件的理想材料。

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