關于Mn3Al塊體合金的電子結構計算

王俊灝

摘 要：自旋電子學器件在航天、軍事等高科技領域，甚至在智能家電、通訊等民用領域都有廣泛的利用，因此它也引起了科學家們越來越多的關注。我們將對D03型Mn3Al塊體合金的電子結構和磁性利用理論模擬計算方法進行研究。根據理論計算發現Mn3Al合金不僅具有100%的自旋極化率而且還有半金屬特性的電子結構。關于合金磁性計算研究表明它是完全反鐵磁性材料。Mn3Al合金是一種半金屬完全反鐵磁材料，所以研究Mn3Al合金對自旋電子學器件的設計具有重要意義。

關鍵詞：Mn3Al合金；密度泛函理論；電子結構；磁性

中圖分類號：TG139 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0071-02

Abstract： Spintronics devices are widely used in aerospace， military and other high-tech fields， even in intelligent electric appliances， communications and other civilian fields， so it has attracted the increasing attention of scientists. We will study the electronic structure and magnetic properties of D03-type Mn3Al bulk alloy by theoretical simulation. According to the theoretical calculation， it is found that the Mn3Al alloy has not only 100% spin polarizability but also a semi-metallic electronic structure. The study on the magnetic properties of the alloy shows that it is a completely antiferromagnetic material. Mn3Al alloy is a semi-metallic antiferromagnetic material， so it is important to study Mn3Al alloy for the design of spintronics devices.

Keywords： Mn3Al alloy； density functional theory； electronic structure； magnetism

引言

自旋電子學器件具有不同于傳統半導體器件的優勢使它成為21世紀重要的研究方向之一。傳統的電子學器件通常是利用電子的電荷特性，而自旋電子學器件是通過電子的自旋和電荷來進行運輸的。相對于傳統電子學器件來說，自旋電子學器件不僅具有更低的耗能、非易失性、更強大的數據儲存能力，而且還具有更快速的信息處理能力和集成度高的優質特點。除此之外，它在磁記錄讀出磁頭、磁傳感器、磁性隨機存儲器等領域有著廣泛的應用前景。盡管自旋電子學器件能夠更好地滿足科學發展和人類的需要，但是它在實際材料的需求上有著較高的要求。自旋電子學器件的制作的關鍵就在于如何能夠將不同特征的電子有效的注入到半導體材料中，以此來達到實現自主運輸的目的。正如我們所知的，現在很多的材料做成的自旋電子學器件都只能在低溫的環境下運行，這帶來了很多的不便。所以研究能在高居里溫度下運行的自旋電子學器件的材料就顯得尤為重要了。研究表明自旋電子學器件的性能和自旋極化率有著密切的聯系，如果材料具有高的自旋極化率，也就是說在費米能級附近分別具有自旋向上和自旋向下的電子數目越不平衡，那么自旋電子學器件的性能就越好。

近年來，由于半金屬材料的優點，使得它成為了大家研究的熱點之一。1983年，de Groot及他的團隊采用第一性原理計算方法在理論上首次發現half-Heusler 合金NiMnSb具有半金屬性，越來越多的Heusler合金被研究證實其半金屬性并被歸為半金屬鐵磁體。Heusler合金具有獨特的磁學性質、形狀記憶效應、半金屬性、拓撲絕緣等性能，而這些優點就使得這種合金在自旋電子器件的研究中具有重要意義。

雖然Mn3Al塊體合金具有多種結構，其中最重要的一種結構是D03型。利用密度泛函理論計算的方法，本文研究了D03型Mn3Al塊體合金的電子結構及磁性。

1 研究方法

本文采用的第一性原理計算，此次研究所有的計算工作都是在高性能計算機上運行Vienna Ab-inito Simulation Package（VASP）程序完成。計算過程中，我們采用廣義梯度近似（GGA）方法，選取綴加投影波（PAW）來描述離子實與價電子之間的相互作用，平面波截斷能取為350eV，利用Monkhorst-Pack方法生成17×17×17的k點網格，并且電子自洽計算的收斂標準被設為10-6Ev。在對Mn3Al塊體合金進行結構優化和靜態計算時，0.01eV被設為相關原子停止馳豫的標準。

2 結果分析

根據對處于平衡狀態的Mn3Al塊體計算的數據，我們繪制出了D03型Mn3Al塊體合金態密度圖，如圖2所示。在塊體的態密度圖中，費米能級處的自旋極化電子的態密度曲線明顯不對稱，我們選擇費米能級為能量零點。正如我們所知道的，通過對Mn3Al合金自旋極化電子結構的分析是判斷其半金屬性的有效方法之一。從圖2中我們可以看到，自旋向下的態密度圖穿過了費米能級，導致其在費米能級不存在帶隙；而自旋向上的態密度圖在費米能級處存在明顯的帶隙。所以自旋向上和自旋向下的圖就分別表現出了半導體和金屬的電子結構特征。這就表明D03型Mn3Al塊體合金具有半金屬性電子結構。

對于自旋電子器件來說，合金材料的磁性特征很重要。我們知道D03型Mn3Al塊體合金材料的磁性主要來源于原子的自旋磁矩。從計算數據的分析，我們發現在D03型Mn3Al塊體合金中，MnMn層的Mn2原子的磁矩是1.4？滋B，MnAl層的Mn1原子的磁矩是-2.8？滋B，Al原子的磁矩是0。并且MnMn層的Mn原子和MnAl層的Mn原子的磁矩方向相反，從而導致了D03型Mn3Al合金的總磁矩為0。相關研究表明Mn3Al合金具有完全反鐵磁性。

3 結論

本文利用第一性原理計算了D03型Mn3Al塊體合金材料的磁性和電子結構。對Mn3Al的磁性和電子結構的研究表明，Mn3Al合金不僅具有完全反鐵磁性質而且還具有典型的半金屬性。Mn3Al的半金屬性就表明了這種材料具有100%的自旋極化率，這是制作電子自旋器件的理想材料。

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