基于密度泛函理論的L21型Ni2MnGe第一原理計算

朱 影, 封文江, 郭帥帥, 何江海, 徐雅輝, 亓雨生

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034)

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基于密度泛函理論的L21型Ni2MnGe第一原理計算

朱 影, 封文江, 郭帥帥, 何江海, 徐雅輝, 亓雨生

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034)

運用MaterialsStudio6.0程序CASRTEP軟件包建立L21型Ni2MnGe單胞和1×1×5的Ni2.25Mn0.75Ge超胞模型,采用 GGA-PBE-TS近似,得出能帶結構和態密度曲線。由Ni2MnGe單胞的能帶結構和態密度圖可以看出自旋向上和自旋向下的能帶都沒有出現帶隙,說明Ni2MnGe單胞具有金屬性,在費米能級附近不同自旋能帶具有明顯差別,從而導致Ni2MnGe具有較大磁性;通過分析1×1×5的Ni2.25Mn0.75Ge超胞的能帶結構和態密度圖可以得到同樣的結論,即Ni2.25Mn0.75Ge具有金屬性,在費米能級附近不同自旋能帶具有明顯差別,從而導致Ni2MnGe具有較大磁性。2種晶體中Ni原子自旋向上和自旋向下的態密度占據量幾乎相同,因此Ni原子的磁矩很小,而Mn原子d軌道的電子幾乎全部局域在自旋向上的態密度中,因此Mn原子磁矩較大。Ni2.25Mn0.75Ge中Ni(A)與Mn存在p-d雜化,比Ni2MnGe中p-d雜化作用更強,這是由于Ni替換了Mn的緣故。

L21型Ni2MnGe; 態密度; 能帶結構

0 引 言

Ullakko等人首次報道了Ni2MnGa的MSMA效應以來[1-3],MSMA一直是國內外物理和材料領域的研究熱點。Ni2MnGe與Ni2MnGa同為L21型結構,引起國內外的關注。已知Ni2MnGe的居里溫度比室溫略高,以及其磁學性質和電子結構[4]。實驗上對Ni2MnGe的研究相對較多,文獻[5]報道了運用分子束外延方法,Ni2MnGe在GaAs基片上生長出單晶四方結構薄膜,得到的結論是薄膜具有鐵磁相,居里溫度為320 K的結論。文獻[6]用電弧熔煉的方法研究x=0.1、0.2的Ni2+xMn1-xGe化合物,得到的結論是隨著Ni替換Mn含量的增加,材料的居里溫度、總磁矩、晶格常數和熵變降低。理論上對Ni2MnGe的研究較少,M.Pugaczowa-Michalska僅報道立方奧氏體結構L21相的Ni2MnGe晶體的晶格常數、電子結構以及磁學性質[7]。運用第一性原理計算的方法,計算了L21型Ni2MnGe單胞的晶格常數、能帶結構、和態密度,并計算了L21型Ni2.25Mn0.75Ge 1×1×5超胞的能帶結構和態密度。

1 理論模型和計算參數

2 結果與討論

2.1 Ni2MnGe單胞

在相同的截斷能與k點的條件下計算,得出的結論是GGA-BE-S近似方法與實驗值最為接近。

表1為Ni、Mn取不同自旋下在GGA-PBE-TS近似方法下(取截斷能為330 eV,k為4×4×4)計算得到的晶格常數和能量值。Ni自旋為0,Mn自旋為1時能量最低最穩定,此時晶格常數為5.744 500?誤差為0.286%,在誤差允許范圍內。

表1 各種可能自旋態下得到的Ni2MnGe單胞的晶格常數的計算值

圖1a,圖1b為Ni2MnGe單胞的自旋向上和自旋向下的能帶結構圖。由圖可以看出自旋向上和自旋向下的能帶都沒有出現帶隙,說明Ni2MnGe具有金屬性,在費米能級附近不同自旋能帶具有明顯差別,從而導致Ni2MnGe具有較大磁性。圖1c中可以看到,在-12.50～-9.70 eV之間的下價帶范圍內,主要由Ge原子s態貢獻,在-10.33 eV處有一較小峰出現,峰值為4.04 eV。這一能帶同其他價電子能帶明顯分離,自旋向下的下價帶比自旋向上的下價帶能量略高。此部分態密度的起伏對應于能帶圖中最低部分的一條四重簡并的能帶。在-7.86～-3.80 eV之間,主要由Ni的d態和Mn的d態貢獻的,Ni的p態和Mn的s態略有貢獻,其中Mn的d態貢獻是Ni的d貢獻的1.5倍,在-4.77 eV處出現較大峰值,峰值達到20.20 eV,此部分態密度的起伏對應圖1a中的中價帶,此部分能帶寬度較窄,說明處于此帶中的電子有效質量較小,非局域程度強。在-3.80 ～0 eV之間態密度主要由Ni的d態和Mn的d態貢獻的,Ni的p態、Mn的p態和Ge的p態略有貢獻,其中Ni的d態的貢獻是Mn的d態貢獻的3倍,此部分態密度的起伏對應圖1a中上價帶,該范圍內的帶寬較窄,說明處于此帶中的電子有效質量大,局域性強。自旋向上的態密度在0～3.77 eV區域內的變化比較平穩,由于Ni的p態和d態以及Ge的p態的擾動照成的,對應圖1a2中導帶部分。

自旋向下的態密度在-7.86～-3.80 eV之間變化較平穩,此部分態密度的起伏主要是Ni的s態和Ge的p態貢獻的,Ni的p態、Mn的s態和Ge的s有微小擾動,其中Ge的p態的貢獻是Ni的s態貢獻的2倍。此部分態密度的起伏對應能帶圖1b中的中價帶部分,該范圍的能帶較寬,說明處于此帶中的電子有效質量較小,局域性弱。在-3.80～0 eV之間的態密度,主要由Ni的d態貢獻的,Ni的p態、Mn的s態和p態以及Ge的s態略有貢獻,在-2.36 eV處出現態密度峰,峰值為22.47 eV,此部分態密度的起伏對應圖1b中上價帶,在能帶圖中能看到此部分能帶較寬,說明處于此帶中的電子有效質量較小,局域性較弱。自旋向下的態密度在0～1.42 eV區域變化較為平穩,直到1.97 eV處出現峰值為15.40 eV的態密度峰,此部分態密度的起伏對應圖1b中的導帶部分。由態密度圖可以看出Ni原子與Mn原子構成p—d雜化。

(a)—Ni2MnGe晶胞自旋向上能帶圖; (b)—Ni2MnGe晶胞自旋向下能帶圖; (c)—Ni2MnGe晶胞的態密度圖。

Ni2MnGe晶體中各原子的磁矩可以用態密度解釋:Ni原子自旋向上和自旋向下的態密度占據量幾乎相同,因此Ni原子的磁矩很小,而Mn原子d軌道的電子幾乎全部局域在自旋向上的態密度中,因此Mn原子磁矩較大,這與以前的試驗結果一致。

2.2 Ni2.25Mn0.75Ge 1×1×5超胞

首先,在GGA-PBE-TS幾何優化的基礎下1×1×5超胞,并做收斂性測試。測試的結果是選用截斷能為330.0 eV,k-point為4×4×4的超胞。

圖2a,圖2b所示為Ni2.25Mn0.75Ge超胞自旋向上和自旋向下的能帶圖。由圖可以看出自旋向上和自旋向下的能帶都沒有出現帶隙,說明Ni2.25Mn0.75Ge 具有金屬性,在費米能級附近不同自旋能帶具有明顯差別,從而導致Ni2.25Mn0.75Ge具有較大磁性。在價帶部分,主要分3個區域:-12.50～-9.50 eV之間,有一條四重簡并的能帶,比Ni2MnGe下價帶略下移;在-7.98～4.00 eV之間的中價帶,此部分能帶帶寬較寬,說明處在此帶中的電子有效質量較小,局域性弱,比Ni2MnGe中價帶略下移;-4.00～0 eV之間的上價帶區,此部分能帶帶寬較小,說明處于此區域的電子有效質量大,局域性強。導帶部分中,自旋向下的導帶比自旋向上的導帶窄,說明此區域的電子有效質量大,局域性強。圖2c,圖2d所示為Ni2.25Mn0.75Ge超胞的態密度圖,在-12.50～-9.50 eV之間的態密度,主要是Ge的s態貢獻的,并在-10.30 eV處出現峰值為4.36 eV的態密度峰。在-7.98～-4.00 eV之間的態密度,主要由Mn的d態貢獻的,Ni(A)的p態和d態、Ni(B)的p態、d態、s態、Mn的s態以及Ge的p態略有貢獻,在-4.80 eV處出現峰值為16.10 eV的態密度峰,此部分態密度的起伏對應圖2a中的中價帶。自旋向上的態密度在-4.00～0 eV之間的態密度主要由Ni(A)d態、Mn的d態貢獻的,Ni(B)的p態、Mn的p態和Ge的p態略有貢獻,Ni(A)的d態的貢獻是Mn的d態貢獻的2倍,此部分態密度的起伏對應圖2a中上價帶。自旋向上的態密度在0～4.17 eV范圍內態密度變化平穩,主要是Mn的p態、Ge的s態、p態貢獻的,此部分態密度的起伏對應圖2a中導帶部分。自旋向下的態密度在-7.98～-4.00 eV范圍內變化較平穩,主要是Ge的p 態貢獻的,Ni(A)的d態、Ni(B)的s態以及Mn的s態略有貢獻,此部分態密度的起伏對應圖2b中的中價帶。-4.00～0 eV之間主要由Ni(A)的d態、Ni(B)的d態、Mn的d態以及Ge的p態貢獻的,Ni(A)的p態、Ni(B)的p態以及Mn的p態略有貢獻,其中Ni(A)的d態貢獻最大,在-2.47 eV處處在峰值為20.45 eV的態密度峰。此部分態密度的起伏對應圖3b中上價帶。0～4.17 eV區域內態密度變化較平穩,在1.99 eV處出現峰值為9.85 eV的態密度峰,此部分密度主要由Mn的d態貢獻的,Ge的s態和p態有微小擾動,此部分態密度的起伏對應圖2b中的導帶部分。

(a)—Ni2.25Mn0.75Ge晶胞自旋向上能帶圖;(b)—Ni2.25Mn0.75Ge晶胞自旋向下能帶圖;(c)—Ni2MnGe晶胞的態密度圖Ni(B)為替換本體中Mn位置的Ni。

Ni2.25Mn0.75Ge的態密度圖中能夠看到Ni(A)與Mn存在p—d雜化,比Ni2MnGe雜化作用更強,這是由于Ni替換了Mn的緣故。

3 結 論

1) Ni2MnGe與Ni2.25Mn0.75Ge都具有金屬性。2) Ni2MnGe與Ni2.25Mn0.75Ge 態密度中,Ni原子自旋向上和自旋向下的態密度占據量幾乎相同,因此Ni原子的磁矩很小,而Mn原子d軌道的電子幾乎全部局域在自旋向上的態密度中,因此Mn原子磁矩較大。3) Ni2.25Mn0.75Ge 中Ni(A)與Mn存在p—d雜化,比Ni2MnGe中p—d雜化作用更強,這是由于Ni替換了Mn的緣故。

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First-principles calculations on Ni2MnGe of L21-type structure with density functional theory

ZHUYing,FENGWenjiang,GUOShuaishuai,HEJianghai,XUYahui,QIYusheng

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The band structure and density of states(DOS)properties were calculated by CASTEP codes of Materials Studio6.0,which were built as Ni2MnGe unit cell and Ni2.25Mn0.75Ge 1×1×5 supercell, and by using generalized gradient approximation(GGA).By the Ni2MnGe unit cell of band structure and density of state, we can see that the spin up and spin down energy band does not appear gap, indicating that Ni2MnGe is metal, different spin near the Fermi level band having significantly different, resulting in having a large magnetic Ni2MnGe; By analyzing the energy band structure and density of states Ni2.25Mn0.75Ge supercell of 1×1×5 can get the same conclusion, namely Ni2.25Mn0.75Ge with a metallic property, and in the vicinity of the Fermi level can bring different spin significantly different, resulting in Ni2MnGe having a large magnetic.Two crystals of Ni atoms in the spin-up and spin-down state density occupy almost the same amount, so the magnetic moment of Ni atom is very small, and d type orbital electronic of Mn atoms almost in the density of state in spin-up, so the magnetic moment of Mn atom in larger.Ni2.25Mn0.75Ge in Ni (A) and the presence of p-d Mn hybrid, p-d hybridization effect is stronger than Ni2MnGe, this is due to the replacement of Ni Mn sake.

Ni2MnGe of L21-type structure; band structure; density of states

2014-10-05。

遼寧省教育廳高等學校優秀人才項目(LJQ2011117)。

朱 影(1988-),女,遼寧開原人,沈陽師范大學碩士研究生; 封文江(1974-),男,河北石家莊人,沈陽師范大學副教授,博士,碩士研究生導師。

1673-5862(2015)01-0014-05

O469

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.004