陳婷

摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及使得人們對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的性能提出了新要求。Heusler合金因其獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)，為自旋存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)提供了一種可能性。本文采用理論模擬計(jì)算方法對(duì)D03型Mn3Ga合金的電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了研究。我們的研究發(fā)現(xiàn)Mn3Ga擁有半金屬特性的電子結(jié)構(gòu)，是一種徹底自旋極化的材料。磁性計(jì)算表明它具有典型的反鐵磁性。Mn3Ga合金作為一種半金屬反鐵磁材料，在自旋存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)中，具有重要的研究意義。

關(guān)鍵詞：Mn3Ga合金；密度泛函理論；電子結(jié)構(gòu)；磁性

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0189-01

20世紀(jì)40年代，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的問(wèn)世拉開(kāi)了以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主的信息技術(shù)革命的序幕。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不僅改變了人們的生產(chǎn)方式，也改變了人們的生活方式。時(shí)至今日，人們?cè)谏a(chǎn)生活的方方面面都能看到計(jì)算機(jī)的身影。與此同時(shí)，人們對(duì)計(jì)算機(jī)性能也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備（硬盤）采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式控制磁盤的轉(zhuǎn)速，該方式制約了硬盤的讀取速度，阻礙了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，限制了計(jì)算機(jī)性能的發(fā)揮。為此，各國(guó)研究者們希望尋求一種新的儲(chǔ)存器。一種基于隧道磁電阻效應(yīng)的自旋存儲(chǔ)器，以其讀取速度快，儲(chǔ)存容量大的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。該自旋存儲(chǔ)器件的關(guān)鍵部件是一種多層結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)。理想磁隧道結(jié)的基礎(chǔ)是采用具有同一自旋方向的極化電流驅(qū)動(dòng)信息的讀寫。

Heusler合金是一種特殊的金屬化合物，具有獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)、形狀記憶效應(yīng)、半金屬性、拓?fù)浣^緣等性能，表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。1983年Groot等人通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)Heusler合金具有半金屬性，即其費(fèi)米面處的電子表現(xiàn)出完全徹底的自旋極化。這種半金屬材料能夠提供同一自旋方向的極化電子，是一種理想的自旋電子源。半金屬材料在自旋存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有重要的研究前景。

Mn3Ga合金具有多種構(gòu)型，最常見(jiàn)的一種構(gòu)型是D03型，如圖1所示。本文采用理論計(jì)算的方法探究了D03型Mn3Ga合金的電子結(jié)構(gòu)及磁性。

1 研究方法

本文研究的主要理論依據(jù)是：基于第一性原理的密度泛函理論。本文涉及的所有計(jì)算任務(wù)均由VASP程序運(yùn)算完成。該程序是維也納大學(xué)設(shè)計(jì)的一款專門用于材料計(jì)算的模擬軟件包，也是目前計(jì)算材料科學(xué)研究領(lǐng)域非常流行的商用計(jì)算軟件之一。計(jì)算過(guò)程中，我們采用了350 eV的截?cái)嗄?，布里淵區(qū)進(jìn)行了15×15×15網(wǎng)格K點(diǎn)采樣，電子自洽計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-6 eV。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，原子停止弛豫的標(biāo)準(zhǔn)為0.02 eV。Mn3Ga晶胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算均收斂到能量最小值。

2 結(jié)果分析

分析晶體材料的自旋極化電子結(jié)構(gòu)是判斷其半金屬性的一種直接有效的方式。我們進(jìn)行的理論計(jì)算能夠清晰地呈現(xiàn)出材料的電子結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，我們選取費(fèi)米能級(jí)為能量零點(diǎn)，繪制出了Mn3Ga合金的自旋極化電子態(tài)密度，如圖2所示。從圖中可以看出，自旋向上和自旋向下的電子態(tài)密度曲線并不對(duì)稱；特別是在費(fèi)米能級(jí)附近，自旋向下電子的態(tài)密度為零，存在下自旋帶隙，表現(xiàn)出半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)特征。自旋向上電子的態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近并不存在帶隙，有明顯的金屬電子結(jié)構(gòu)特征。一個(gè)自旋極化方向電子表現(xiàn)出半導(dǎo)體性，剩下一個(gè)自旋極化方向的電子表現(xiàn)出金屬性的情況，這就是典型的半金屬電子結(jié)構(gòu)特征。因此，我們的計(jì)算表明Mn3Ga合金具有典型的半金屬性。那么，從理論上講，Mn3Ga合金能夠提供同一自旋極化方向的電子，是一種理想的自旋電子源。

一種材料要作為此磁隧道結(jié)，其磁學(xué)性質(zhì)也是一個(gè)重要的考察標(biāo)準(zhǔn)。為此，通過(guò)提取計(jì)算數(shù)據(jù)，我們對(duì)Mn3Ga合金的磁性進(jìn)行了分析。分析結(jié)構(gòu)表明在單個(gè)晶胞中MnMn層原子的總自旋磁矩大小為3?B，MnGa層原子的總自旋磁矩也為3?B；兩者的磁矩方向相反。這種磁矩大小相等并呈反方向平行排列的磁結(jié)構(gòu)是典型的反鐵磁結(jié)構(gòu)。因此，我們的計(jì)算表明Mn3Ga合金具有典型的反鐵磁性。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用密度泛函理論，計(jì)算了D03型Mn3Ga合金的電子結(jié)構(gòu)及磁性。計(jì)算結(jié)果表明Mn3Ga合金同時(shí)具有典型的半金屬性和典型的反鐵磁性。這種同時(shí)具有半金屬性和反鐵磁性的半金屬反鐵磁材料是制作磁隧道結(jié)的理想材料。它們能夠作為理想的自旋電子源，為器件提供同一自旋方向的極化電子。此外，由于其具有反鐵磁性，整個(gè)材料的總的自旋磁矩為零；這使得存儲(chǔ)器件在實(shí)際的信息讀寫過(guò)程中，其消耗的能量比鐵磁材料更低。綜上所述，我們認(rèn)為在設(shè)計(jì)磁隧道結(jié)中，Mn3Ga合金是一種理想候選材料。

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