几个二元/三元化合物的表面半金属性研究

摘要

在1983年,deGroot等人发现了一类具有Clb结构的新材料,霍伊斯勒合金NiMnSb和PtMnSb,它们的能带结构在一个自旋方向具有金属性,而在另一个自旋方向具有半导体性或绝缘性。这种特殊的性质被称为半金属铁磁性。因为半金属材料在费米面具有完全(100％)的自旋极化率,因而在自旋电子学中有着重要的应用。本文主要利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法,研究了几个二元和三元半金属化合物的结构、电子和磁学性质,涉及到块材、表面和界面体系。得到的五个主要结果如下:
　　首先,研究了岩盐结构VPo的块材和(111)表面的性质。我们发现,块材VPo在平衡晶格常数5.9?时具有半金属铁磁性,磁矩为3.00μB每个分子。因为表面原子键长和磁矩的不同,V原子终结的(111)表面维持了半金属性,而Po原子终结的(111)表面失去了半金属性。表面Po(V)原子的磁矩与块材中的相比都增加了。计算得到的总磁矩满足二元闪锌矿结构半金属铁磁体遵从的Slater-Paulig准则Mtot=(Ztot-8)μB。我们也讨论了所研究表面的稳定性。
　　第二,我们进一步研究了岩盐结构VPo的(110)和(001)表面性质,发现这两种表面都维持了块材半金属性的特征。表面原子的磁矩与块材相比都增大了。表面稳定性的研究表明,岩盐结构VPo的(110)和(001)表面在平衡条件下都不稳定,因此,岩盐结构VPo薄膜需要非平衡生长技术来实现。
　　第三,我们研究了闪锌矿结构TiTe的块材和(001)表面性质,发现该块材在平衡晶格常数6.41?时具有半金属铁磁性,磁矩为2.00μB每个分子。该块材半金属性在Ti和Te原子为终结的(001)表面均得到了保持。与块材相比,表面原子的磁矩增大了,而次表面原子的磁矩却降低了。表面能的计算表明,Te原子为终结的表面比Ti原子为终结的表面更加稳定。
　　第四,我们将闪锌矿结构半金属铁磁体TiPo拓展到了其(001)表面和TiPo/CdTe(001)界面性质的研究。计算表明,Ti和Po原子终结的(001)表面均保持了半金属性。与块材相比,表面Ti原子的磁矩增加了,而表面Po原子的磁矩却降低了。Po原子终结的(001)表面比Ti原子终结的(001)表面更加稳定。界面性质的研究表明,(1×1)的Ti-Te构型的界面是最稳定的,并且具有半金属性。(2×1)的Ti-Te构型界面也具有半金属性。
　　第五,计算了霍伊斯勒合金Mn2CoSn的块材和(001)表面的结构、电子和磁学性质。我们发现Mn2CoSn的平衡晶格常数为5.85?,Mn2CoSn具有半金属亚铁磁性,磁矩为3μB每个分子。该半金属性在Mn(2)Sn和Mn(1)Co终结的(001)表面均被破坏了。磁矩的计算表明,Mn(2)Sn终结的表面原子的磁矩与块材中的相比有所增加,而Mn(1)Co终结的表面原子的磁矩变化很大。有趣的是,从块材到表面体系,Mn(1)原子的磁矩由低自旋态转变为了高自旋态,这使Mn2CoSn霍伊斯勒合金成为自旋电子学应用中的一个有希望的竞争材料。此外,霍伊斯勒合金Mn2CoSn的磁矩Mtot和价电子数Ztot满足Slater-Pauling准则Mtot=(Ztot-24)μB。

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1 Introduction

1.1 HM ferromagnets

1.2 Full-, half-and inverse-Heusler alloys as half-metallic ferromagnets

1.3 Zinc-blende half-metals

1.4 Origin of the gap in the binary and Heusler compounds

1.5 The magnetic moments and Slater-Pauling behaviour

1.6 Surface and interface

1.7 Surface versus bulk

1.8 Chemical potential

1.9 Applications of half metals

2. Calculational details

2.1 Material simulation software

2.2 First principles methods

3. Surface properties of half-metallic ferromagnetic of rocksalt VPo

3.1 First-principles study on the \(111\) surface of half-metallic rocksalt VPo

3.2 The half-metallic properties of the \(110\) and \(001\) surfaces of rocksalt VPo: A first-principles study

4. Surface and interfacial half-metallicity of zinc-blende TiTe and TiPo

4.1 The half-metallic characteristics of the \(001\) surface of zinc-blende TiTe

4.2 First-principles study of half-metallicity at the TiPo \(001\) surface and the TiPo/CdTe \(001\) interface

5. First-principles investigation of the structural and electronic properties of full-Heusler alloy Mn2CoSn \(001\) surface

5.1 Methodology

5.2 Bulk and magnetic moment properties

5.3 Surface relaxation and density of states at the \(001\) surfaces of Mn2CoSn

5.4 Summary

6. Conclusions and outlook

6.1 Conclusions

6.2 Outlook

参考文献

致谢

List of Abbreviations

Appendix Publication