Sc2VZ(Z=C,Si,Ge,Sn,Pb)与Co2VZ(Z=Ga,Ge,As,Se)Heusler合金半金属铁磁性的第一性原理研究

摘要

自旋电子学是一门以研究电子的自旋极化和磁性为主要内容的新兴学科，基于这些奇特的性质人们设计、开发出大量的新型自旋电子学器件。由于它在信息存储领域具有广阔的应用前景，因而受到学术界和工业界的广泛关注[1]。自旋电子学发展至今依然面临着一个重大问题即如何有效地将自旋电流从铁磁性材料注入到半导体材料之中。而半金属Heusler合金因具有独特的电子结构，即一种自旋方向的能带表现出金属性，另一种自旋方向的能带表现出半导体性，从而使得费米能级附近的传输电子的自旋极化率为100％，被认为是理想的半导体自旋电流注入源[2]。另外，Heusler合金还具有较高的居里温度、较大的磁矩，而且它们与广泛应用的闪锌矿结构二元半导体有着相似的晶体结构[3，4]。本研究采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的投影缀加平面波方法(PAW)，研究了Heusler合金Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)和Co2VZ(Z=Ga, Ge，As，Se)的电子结构和磁性，具体研究工作如下:
　　(1)采用第一性原理，结合广义梯度近似(GGA)，系统研究了Heusler合金Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)的电子结构和磁性。研究发现Heusler合金Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)在平衡晶格常数下表现出半金属铁磁性，其自旋向上态中的带隙宽度分别为0.345 eV，0.354 eV，0.387 eV和0.173 eV。计算得到Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)的总自旋磁矩均为整数（3.00μB），符合Slater-Pauling规则。分析能带与态密度发现，半金属带隙的产生主要是由于Sc和V原子d态电子之间强烈的杂化作用所致。同时计算结果也表明，在一定程度的晶格常数变化范围内，Sc2VZ(Z=Si，Ge，Sn，Pb)合金仍能保持其半金属性质。
　　(2)采用了GGA和GGA+U（在位库伦）方法研究了Co2VZ(Z=Ga，Ge，As，Se)电子结构和磁性。采用GGA和GGA+U方法均研究发现平衡态Co2VGa具有半金属性，而Co2VGe和Co2VAs则通过GGA+U方法预测出具有半金属性，而Co2VSe在两种方法均表现出金属性。因而Co2VZ(Z=Ga，Ge，As)是潜在的高自旋半金属材料，而且本研究将为未来的实验研究提供有力理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 Heusler合金简介

1．2．1 Heusler合金的晶体结构

1．2．2 Heusler合金的物理性能

1．3 半金属材料的研究与发展

1．3．1 自旋电子学概述

1．3．2 半金属材料的分类

1．3．3 半金属性能的实验测定

1．4 Heusler合金半金属性的研究现状

1．4．1 Heusler合金半金属的实验研究现状

1．4．2 Heusler合金半金属的理论研究现状

1．5 本文的研究目的和内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

参考文献

第二章 第一性原理计算

2．1 绝热近似与布洛赫(Bloch)定理

2．2 Hartree-Fock近似

2．3 Hohenberg-Kohn定理

2．4 Kohn-Sham方程

2．5 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)

2．6 Kohn-Sham方程的自洽计算

2．7 VASP软件简介

参考文献

第三章 Heusler合金Sc2VZ(Z=C，Si，Ge，Sn，Pb)的热力学，电子结构，磁学性能的第一性原理研究

3．1 理论模型和计算方法

3．1．1 理论模型

3．1．2 计算方法

3．2 计算结果与讨论

3．2．1 结构性质

3．2．2 热力学形成焓

3．2．3 电子结构及半金属带隙产生的原因

3．2．4 晶格常数的变化对半金属性的影响

3．2．5 磁性以及Slater-Pauling规则

3．2．6 晶格常数的变化对磁性的影响

3．3 本章小结

参考文献

第四章 Heusler合金Co2VZ(Z=Ga，Ge，As，Se)的热力学，电子结构，磁学性能的第一性原理研究

4．1 理论模型和计算方法

4．1．1 理论模型

4．1．2 计算方法

4．2 计算结果与讨论

4．2．1 结构性质

4．2．2 热力学形成焓

4．2．3 电子结构

4．2．4 磁性与Slater-Pauling规则

4．3 本章小结

参考文献

第五章 结论

致谢

攻读硕士学位期间发表论文