高压下无隙半导体反Heusler合金Mn2CoAl的结构性质、电子性质、力学性质和热力学性质的研究

摘要

随着自旋电子学的发展，半金属材料由于其独特的性质吸引了研究者的极大关注。在半金属材料的能带结构中，自旋向上的子能带（majority-spin band）穿过了费米面，表现出典型的金属性；而费米面却处于自旋向下子能带（minority-spin band）的带隙中，显示出半导体性。因此，这种特殊的能带结构使得半金属材料的电子在费米面附近的自旋极化率是100％。正因为这种特殊的性质，半金属材料有望被用于自旋相关设备，如隧道结、自旋阀和磁传感器中。
　　科学家利用第一性原理的计算方法对half-Heusler合金NiMnSb进行研究，发现其具有半金属性。在这之后，人们发现越来越多的Heusler合金具有半金属性并将它们归为半金属铁磁材料。具有高自旋极化率、高居里温度的一些Heusler合金近年来被广泛研究。在对反Heusler合金Mn2CoAl和一些四元Heusler合金CoFeCrAl等进行研究时发现，它们具有无隙半导体性，也就是说，在少数自旋载流子的子能带中存在直接带隙，而在多数自旋载流子的子能带中存在间接零带隙，这种特殊的能带结构使得无隙半导体材料的载流子完全极化，电子和空穴在费米面附近自旋极化率均达到100%。无隙半导体Mn2CoAl具有720K的高居里温度，2μB的小磁矩，因此在有望被用在自旋相关器件中。本文采用第一性原理方法、准谐德拜模型并结合 Gibbs软件研究高压下无隙半导体反Heusler合金Mn2CoAl的结构性质、电子性质、力学性质和热力学性质。主要包括以下工作：
　　1.计算了Mn2CoAl的E-V曲线，并进行了三阶Birch-Murnaghan方程拟合，得到平衡晶格常数a0，体弹模量B0和体弹模量对压强的一阶导数B'0，把这些结果与其他理论、实验结果进行对比发现，我们的计算结果与其他结果符合很好。
　　2.研究不同压强下Mn2CoAl的电子性质，发现当压强增大到25GPa时，Mn2CoAl的无隙半导体行为遭到破坏，自旋极化率降低；虚频的出现表明在压强大于25GPa时，Mn2CoAl将不再具有动力学稳定性。因此，在实验过程中，必须控制压强在25GPa以内。
　　3.验证了在不同的压强下Mn2CoAl的弹性常数均满足力学稳定性。在此基础上，利用VRH近似方法研究了Mn2CoAl的体弹模量B、杨氏模量E、剪切模量G等。发现随着压强的增加，体弹模量B和剪切模量G均呈现增大的趋势，表明在高压条件下压缩Mn2CoAl比较困难；B/G随压强的增加而增大，材料的柔韧性增强。
　　4.利用计算得到的E-V数值，采用准谐德拜模型，结合Gibbs软件研究了不同温度和压强下Mn2CoAl的热力学性质，包括热膨胀系数α、Grüneisen常数γ、比热容CV和德拜温度ΘD。

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第1章 绪 论

1.1 半金属材料简介

1.2 Heusler合金简介

1.3 Heusler合金的研究现状

1.4论文的内容和安排

第2章 理论基础和计算方法

2.1 第一性原理计算方法

2.2多粒子体系的量子力学描述

2.3单电子近似理论

2.4 密度泛函理论

2.5平面波基组和赝势

2.6 CASTEP软件包介绍

2.7力学稳定性判据和Voigt–Reuss–Hill近似

2.8德拜温度的计算

第3章 高压下无隙半导体反 Heusler合金Mn2CoAl的结构性质、电子性质、力学性质和热力学性质的研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第4章 总结与展望

参考文献

致谢

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