本文關(guān)鍵詞： 密度泛函理論 非平衡格林函數(shù) Heusler合金 電子結(jié)構(gòu) 磁電阻結(jié) 自旋極化輸運(yùn)　出處：《西南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計(jì)算因其自身優(yōu)勢和特點(diǎn),在原子分子尺度理論模擬中具有較高的可靠性和運(yùn)行效率并能保持良好的精度,成為理論工作者研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及預(yù)測宏觀物理性質(zhì)的有力工具。借助這個(gè)數(shù)學(xué)工具不僅能夠有效降低研究成本,還有助于理解原子分子水平上的某些微觀機(jī)理。由于描述電子傳播行為的非平衡格林函數(shù)(NEGF)能夠?qū)㈦娮由⑸渑c傳播有機(jī)聯(lián)系起來,且在不求解波函數(shù)的情況下可直接計(jì)算體系的輸運(yùn)性質(zhì),因此NEGF方法成為處理非平衡條件下電子散射及輸運(yùn)問題的常用手段。結(jié)合DFT與NEGF這兩大數(shù)學(xué)工具可對(duì)物理學(xué)上的巨磁電阻現(xiàn)象開展相應(yīng)理論研究。利用電子自旋屬性的新型自旋電子學(xué)器件,例如各種巨磁電阻／隧穿磁電阻傳感器、巨磁電阻隔離器、巨磁電阻／隧穿磁電阻硬盤讀出磁頭、磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器以及自旋晶體管等,與僅利用了電子的電荷屬性的傳統(tǒng)微電子學(xué)器件相比,因能耗更低、存儲(chǔ)能力更強(qiáng)而備受關(guān)注。作為半金屬材料家族中的重要成員,Co基Heusler合金因具有高自旋極化率、高居里溫度等特點(diǎn)而被視為具有潛力的磁電阻結(jié)電極材料。然而,在實(shí)際中Co基Heusler合金磁電阻結(jié)器件表現(xiàn)出來的性能并不太理想。為弄清實(shí)測值與理論期望存在較大差距的原因,借助上面所提到的兩大數(shù)學(xué)工具(即DFT和NEGF方法),開展了對(duì)典型的Co基Heusler合金磁電阻結(jié)異質(zhì)界面特征及自旋極化輸運(yùn)的基礎(chǔ)研究,力圖從理論上探究問題根源所在,并為發(fā)展高性能磁電阻結(jié)材料提供可靠的解決方案。具體來說,本文的主要內(nèi)容安排為以下幾個(gè)部分：一、作為磁電阻重要組成部分之一的電極材料,應(yīng)當(dāng)具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性等基本特征。尤其是當(dāng)其處于較高退火溫度的環(huán)境下時(shí),是否能夠保持高度有序的相結(jié)構(gòu),關(guān)系到還能否發(fā)揮出優(yōu)良的半金屬特性�；诿芏确汉碚�,采用第一性原理計(jì)算和準(zhǔn)諧德拜模型方法對(duì)四種典型的Co基Heusler化合物Co2YZ (Y=Sc, Cr; Z=Al, Ga)(空間群表示為Fm-3m)的電子結(jié)構(gòu)、彈性及熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：對(duì)于Co2CrAl和Co2CrGa而言,盡管具備良好的半金屬特性,而且在高壓環(huán)境下兩者的自旋極化率還有所提升,但其晶格動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性較差,導(dǎo)致了兩者應(yīng)用價(jià)值不大；而對(duì)Co2ScAl和Co2ScGa來說,雖然均符合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和晶格動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性等基本判據(jù),但卻并不具備典型的半金屬特性,進(jìn)而證實(shí)Co2ScZ也不適合作為電極材料來使用。二、在已知同時(shí)具備相穩(wěn)定性和典型半金屬性的前提條件下,選取了Co基Heusler合金Co2MnAl(空間群表示為Fm-3m)作為電極材料來考察其器件潛質(zhì)。由于實(shí)際制備環(huán)境中Co2MnAl的B2無序結(jié)構(gòu)跟L21有序結(jié)構(gòu)的形成能相差很小,且相應(yīng)的塊體(Bulk)自旋極化率反而更高,為此將B2無序下的情況作為重點(diǎn)來研究。借助非平衡格林函數(shù)方法,通過對(duì)L21有序和B2無序兩種情況下磁電阻值的計(jì)算發(fā)現(xiàn)Co2MnAl/Ag/Co2MnAl磁電阻結(jié)在無序情況下能夠獲得更為優(yōu)良的輸運(yùn)性能(中間層材料Ag的空間群表示為Fm-3m)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)電子結(jié)構(gòu)及磁性的分析,可以認(rèn)為在制備過程中具備單一B2無序相結(jié)構(gòu)的Co2MnAl基Co2MnAl/Ag/Co2MnAl三層膜磁電阻結(jié)具有較大的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。三、基于密度泛函理論并結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法,考慮了另一種常見的具有高自旋極化率、高居里溫度且高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的Co基Heusler合金材料——Co2MnSi(空間群表示為Fm-3m)及其三明治結(jié)構(gòu)器件。對(duì)實(shí)驗(yàn)上研究得較為成熟的Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三層膜器件來說,雖然實(shí)驗(yàn)方法和手段在不斷地改進(jìn),但是實(shí)際上磁電阻測量值仍然不是十分理想。在本論文中,設(shè)計(jì)和模擬了有限厚度的Co基Heusler合金Co2MnSi為電極材料的Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三層膜結(jié)構(gòu),計(jì)算和分析了Ag/Co2MnSi異質(zhì)界面附近的界面特征對(duì)每一原子層電子結(jié)構(gòu)的影響。隨后,在研究中引入了界面無序的概念以最大程度模擬可能的真實(shí)情況,發(fā)現(xiàn)在高溫退火環(huán)境下最有可能發(fā)生的無序情況是界面DO3類型的原子無序(即界面第一層L1的Mn原子與第二層L2的Co原子發(fā)生交換無序)。進(jìn)一步的磁輸運(yùn)研究發(fā)現(xiàn),上述DO3類型界面處原子無序排布,結(jié)合異質(zhì)界面本身所構(gòu)成的綜合效應(yīng),將會(huì)對(duì)Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三層膜器件的自旋極化輸運(yùn)性能帶來致命性破壞作用。四、采用密度泛函理論計(jì)算并依賴非平衡格林函數(shù)方法,進(jìn)一步總結(jié)了Co基Heusler合金Co2YZ材料(Y=Sc,Ti,V, Cr, Mn,Fe;Z=Al,Si,Ge)(空間群表示為Fm-3m)與一種具有代表性的純金屬——鋁(A1)(空間群表示為Fm-3m)的能帶結(jié)構(gòu)匹配情況,建立了該匹配度與對(duì)應(yīng)Co2YZ/Al/Co2YZ三層膜器件磁輸運(yùn)系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明,Co基Heusler合金Co2YZ在費(fèi)米面附近的能帶特征(包括穿過費(fèi)米面能帶的形狀,Co2YZ和Al在費(fèi)米面交點(diǎn)之間的距離d=｜P0-Qi｜,以及橫跨費(fèi)米面能帶中能量的絕對(duì)最大值|Emax｜),將直接影響著對(duì)應(yīng)Co2YZ/Al/Co2YZ三層膜器件磁輸運(yùn)系數(shù)值的大小。
[Abstract]:Based on the theory of density functional theory ( DFT ) , it is a powerful tool to study the phenomena of electron scattering and transport in the field of atomic molecular scale . In this paper , the Co2MnSi / Ag / Co2MnSi three - layer film structure with high spin polarizability , high Curie temperature and high temperature has been studied by means of non - equilibrium Green ' s function method .

【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O469

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