过渡金属替代对Ru2V1-xYxGe（Y = Ti, Cr）赫斯勒合金的半金属性、结构、电子和磁性质的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effect of transition-metal substitution on the half-metallicity, structural, electronic, and magnetic properties of Ru2V1-xYxGe (Y = Ti, Cr) Heusler alloys

基于第一性原理计算，系统研究了Ru2V1-xYxGe（Y=Ti, Cr）合金的L2?相结构稳定性、电子特性及磁行为，发现所有成分在立方相中均保持机械与动态稳定，具有高刚性和弹性延展性。磁矩随Ti或Cr取代浓度增加呈单调变化，符合Slater-Pauling规则，且x≤0.75时仍保持高自旋极化特性，特别是x=0.75时实现完美半金属特性，为自旋电子学器件提供新候选材料。

　　

卡洛斯·阿里尔·萨穆迪奥·佩雷斯（Carlos Ariel Samudio Pérez）|阿里尔·弗莱格·德·马尔基（Ariel Flaig de Marchi）|保罗·里卡多·德·索萨（Paulo Ricardo de Souza）|安东尼奥·范德莱·多斯·桑托斯（Ant?nio Vanderlei dos Santos）

巴西南里奥格兰德州圣安杰洛（URI-Santo ?ngelo）大学科学和技术教育研究生项目

摘要

本研究系统地利用第一性原理计算方法，探讨了全Heusler合金Ru₂V_1-xY_xGe（其中Y = Ti, Cr；x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1）的结构、电子和磁性质。这些合金属于L2₁晶体结构。计算基于密度泛函理论，采用WIEN2k代码中的全势线性化增强平面波（FP-LAPW）方法。详细分析了V位点被Ti和Cr替代对Ru₂VGe稳定性和物理性质的影响。所有研究组分的合金在立方L2₁相中均表现出良好的机械稳定性和动态稳定性，同时具有较高的刚度和弹性延展性。磁性质强烈依赖于组分比例：总磁矩随Ti（Cr）浓度的增加而单调减小（或增大），这与Slater–Pauling规则一致。电子结构和态密度计算表明，当x ≤ 0.75时，这些化合物仍保持高度自旋极化的电子结构，Ru₂VGe表现出完美的半金属性。这些结果表明，特别是在中等Ti和Cr浓度下，Ru₂V_1-xY_xGe合金是自旋电子学应用的有希望的候选材料。

引言

Heusler合金是一类三元金属间化合物，发现于19世纪末，具有广泛的科学和技术应用价值[1]、[2]、[3]、[4]。根据元素周期表，X和Y元素为过渡金属（TM），而Z元素则涵盖了多种主族元素[5]、[6]。Heusler合金通常结晶为类似的立方晶格。全Heusler（FH）合金的化学计量比为X₂YZ，而半Heusler（HH）合金的化学计量比为XYZ[5]、[6]。FH合金属于L2₁晶体结构（空间群编号225），由四个相互穿插的面心立方（fcc）子晶格组成；而HH合金则属于C1_B结构（空间群编号216），其中一个L2₁子晶格被空位取代，导致X原子数量减半[7]。这些晶格的原子位置分别为8c（0.25, 0.25, 0.25）、4a（0, 0, 0）和4b（0.5, 0.5, 0.5）。

由于这些结构和化学差异，Heusler合金展现出不同的电子和磁性质，具有重要的应用前景[8]。例如，它们可用于热电发电和制冷[9]，并且因其磁形状记忆效应和较大的磁热效应而受到关注[8]、[10]。此外，这些化合物在自旋电子器件中也有重要应用[5]、[6]、[11]、[12]、[13]，这主要归因于它们的半金属性。这种半金属性源于费米能级处存在自旋方向的能量间隙[10]、[14]，从而实现完美的自旋极化[2]、[8]、[12]、[13]，这对自旋电子学和磁电子技术至关重要[5]、[6]、[11]。

Heusler型材料的特性主要由其晶体结构和化学组成决定[1]、[15]。这一特点在基于钌的化合物中尤为明显，这类化合物在过去十年中受到了广泛关注[4]、[11]。例如，Bhat和Gupta[16]对Ru₂VGe和Ru₂VSb化合物的研究预测了具有100%自旋极化的半金属性铁磁基态，符合Slater-Pauling规则。Mokhtari等人[4]对Ru₂CrZ（Z = Si, Ge, Pb, Sn）等合金进行了系统研究，发现它们具有接近半金属性的性质。相反，Okada等人[14]和Kanomata等人[10]对Ru₂CrGe的研究以及Gotoh[17]对Ru₂MnGe的研究则表明这些合金具有稳定的反铁磁基态，这突显了Y位过渡金属替代对磁序的敏感性。

理论研究表明，Heusler合金Ru₂VGe是一种有前途的半金属性铁磁体，其总磁矩为1.0 μB，符合Slater-Pauling规则[2]、[13]、[16]。该合金具有高自旋极化特性，且少数自旋通道的间接带隙非常窄（约66 meV[2]、[16]）。然而，这类材料的电子结构对过渡金属替代非常敏感。例如，用Cr替代V会得到Ru₂CrGe，实验表明其在低温（9 K）下为绝缘体[10]；而Ru₂TiGe（价电子数为24）理论上应为非磁性半导体，并具有伪带隙。但实际上，其性质常受到反位缺陷引起的超顺磁团簇的影响[9]。因此，全面分析V被Cr或Ti替代对电子结构和带隙的影响至关重要。

因此，在本研究中，我们通过第一性原理计算系统地研究了Ru₂V_1-xY_xGe（Y = Cr, Ti）系列合金在整个浓度范围（x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1）内的电子和磁性质变化。通过Murnaghan状态方程进行总能量最小化来评估结构稳定性。为确保稳定性分析的全面性，我们还计算了独立弹性常数、形成能以及通过声子能带色散来评估动态稳定性。此外，还通过电子能带结构和态密度计算进一步探讨了晶格常数变化对半金属性和总磁矩的影响。

计算方法和结构

计算采用WIEN2k代码中的全势线性化增强平面波（FP-LAPW）方法[18]、[19]进行的第一性原理密度泛函理论（DFT）。交换相关势采用Perdew-Burke-Ernzerhof广义梯度近似（PBE-GGA）[20]、[21]处理。经过收敛性测试后，选择了R_mtK_max = 9的平面波基组截止值，这是一个高于收敛点的保守值，以确保数值计算的准确性

结构和机械性质

本研究首先计算了L2₁结构下Ru₂V_1-xY_xGe（Y = Ti, Cr）合金的体积函数总能量（E-V曲线）。这些计算涵盖了自旋极化的铁磁（FM）和非磁（NM）两种配置。所得E-V曲线通过Murnaghan状态方程[2]、[3]、[8]、[11]、[13]、[25]、[26]进行拟合，以确定基本基态性质，结果总结在表1中。

分析表明...

总结

本研究利用系统性的第一性原理DFT计算方法，探讨了Ru₂V_1-xY_xGe（Y = Ti, Cr）Heusler合金在整个成分范围（x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1）内的结构、机械、电子和磁性质。结果表明，V位点的过渡金属替代显著改变了这些性质，具体变化趋势取决于替代元素（Ti或Cr）的性质。

结构方面，晶格参数...

CRediT作者贡献声明

卡洛斯·阿里尔·萨穆迪奥·佩雷斯（Carlos Ariel Samudio Pérez）：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、实验研究及数据分析、概念框架构建。 阿里尔·弗莱格·德·马尔基（Ariel Flaig de Marchi）：负责原始草稿撰写、实验研究及数据分析。 保罗·里卡多·德·索萨（Paulo Ricardo de Souza）：负责撰写、审稿与编辑、实验研究及数据分析。 安东尼奥·范德莱·多斯·桑托斯（Ant?nio Vanderlei dos Santos）：负责撰写、审稿与编辑、实验研究及数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。