Heusler alloys Mn(1+x)Pt(1-x)Sb结构、电子及磁性理论研究

关键词：Heusler alloys、半金属、自旋电子器件、磁性、DFT

1. 案例背景

Half-metallic (HM) Heusler alloys由于具有较高的居里温度，且在室温下具有完全自旋极化特性，被广泛应用在自旋输运器件中。例如IrMnSb、MnPtSb属于half-Heusler alloys家族，MnPtSb具有接近半金属的电子结构，费米能级在带隙边缘超过少数自旋价带峰。对于像IrMnSb和MnPtSb此类材料，可通过外部刺激如机械应变、化学取代等诱发半金属跃迁。在费米能级附近能带交叉较小的情况下，通过改变晶格参数或化学取代方法实现半金属跃迁并不难。然而，作者采用略微不同的情况，分析化学计量数对Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb合金的影响。本案例中，作者利用密度泛函理论结合实验方法，研究化学计量数对Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb结构、电子和磁性性能影响。

2. 建模与计算方法

作者通过MedeA InfoMaticA搜索了立方（F43m）MnPtSb结构，MnPtSb结构有两种：α-phase及γ-phase；以α-phase MnPtSb为主要研究对象，接着通过Substitution Search功能创建α-phase不同化学计量比Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb结构。随后作者采用MedeA-VASP模块中GGA-PBE方法对MnPtSb及Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb结构进行优化，采用截断能500 eV；K点：12x12x12；同时分析各结构态密度及磁性等电子性质。

3. 结果与讨论

3.1 MnPtSb结构分析

作者通过MedeA InfoMaticA搜索了MnPtSb结构，MnPtSb有两个相：α-phase及γ-phase，见图1。通过MedeA VASP优化MnPtSb结构，计算两个相能量可知：α-phase能量-81.295 eV，γ-phase能量-78.074 eV。计算表明，在外压范围内，不存在从α相到γ相转变。实验上合成的MnPtSb与计算结果一致。作者以α-phase MnPtSb为主要研究对象。

图1 MnPtSb晶胞结构

随着作者通过MedeA VASP计算α-phase MnPtSb态密度，见图2。从图2中可知，MnPtSb中费米能级穿越少量自旋价态，说明MnPtSb并不是完全的半金属；费米能级附近，对于少数自旋态贡献主要来自Mn原子，而Pt和Sb贡献较小。

图2 α-phase MnPtSb态密度

3.2 Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb结构分析

为更深入了解MnPtSb结构，作者通过MedeA-VASP模块分析非化学计算比下MnPtSb各结构及态密度电子性质。图3为Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb(0≤x≤0.5) 晶格参数、态密度及自旋极化及磁化。从图3 (a) 可知，当25%的Pt被Mn原子取代后，有较强的半金属跃迁；而当50%的Pt被Mn原子取代，Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb则完全显示半金属性。由于Mn原子半径小于Pt原子半径，Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb晶格参数随x值增大而减小（见图3 (b)）。自旋极化及磁化强度显示，Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb磁化强度随着x值增加而呈现下降趋势。MnPtSb具有铁磁性，磁矩为3.9 μB/Mn，Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb对应x的所有非零值都具有铁磁性。

图3 Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb (a) DOS; (b) 晶胞常数；(c) 磁化强度

3.3 实验分析

作者通过实验手段制备了x浓度较高的Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb样品，接下来通过各种表征手段分析样品。例如图4如室温下MnPtSb及Mn_1.25Pt_0.75Sb的XRD图谱。如图4(a)所示，XRD谱图中含有纯立方(F43m)衍射峰，与理论预测结果一致。Mn_1.25Pt_0.75Sb的XRD谱图中主峰也显示此结构为立方Heusler structure。同时XRD分析得到的MnPtSb及Mn_1.25Pt_0.75Sb晶格参数分别为6.221 À和6.218 À，实验值与MedeA-VASP理论计算吻合较好。

图4 室温下XRD图：(a) MnPtSb; (b) Mn_1.25Pt_0.75Sb

4. 总结与展望

本案例中，作者通过理论结合实验研究Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb (0≤x≤0.5) Heusler合金的结构、电子性质和磁性。密度泛函计算表明该化合物为立方构型，在x=0.25~0.5之间为fully half-metallic。通过实验手段合成MnPtSb、Mn1.25Pt0.75Sb，并对其晶体结构和磁性性能研究，两种合金表现出中等的饱和磁化强度，MnPtSb为4.08 μB/f.u；Mn_1.25Pt_0.75Sb 为3.54 μB/f.u ；理论计算值分别为：4.02 μB/f.u 及3.25 μB/f.u ,理论值与实验值比较吻合。本案例的研究具有非常重要的科学意义，在需要高自旋极化、高居里温度及中等磁化强度的自旋电子器件中，Mn_1.25Pt_0.75Sb有广阔的应用空间。

参考文献：

Abdullah Al Maruf, Adam Ramker et al. Electronic, structural and magnetic properties of Mn_(1+x)Pt_(1-x)Sb. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 537 (2021) 168234

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA VASP