CrSb的磁性能：第一性原理研究(中文文献翻译)

CrSb 的磁性能：第一性原理研究

我们介绍了闪锌矿结构和NiAs 结构中的CrSb 的磁性能的第一性原理研究。最后我们使用了局域自旋密度和广义梯度近似中的全电子全电势线性平面波方法。给出了不同结构和相得各种物理量，诸如总磁矩和局部磁矩。除此之外，通过计算内聚能，能带结构，态密度以及荷质比密度来对所研究的性质的进行详细分析。CrSb 是闪锌矿结构中磁矩为3.000../B u f μ的半金属铁磁体。在平衡体积下它的半金属能隙达到0.69eV 。

1. 引言

最近de Groot et al.介绍了一类磁性材料，通过结合半导体技术和磁性能开启了磁电器件的发展之门。这种spintronic 器件开发了自旋电子以及它们电荷的存储和传输的信息。它们是半金属(HMs),即，在一个费米能级只出现一个自旋方向带隙的材料，而其它自旋方向具有金属特征。因此期望从这些材料中得到100%自旋极化的传导电子。

已经使用将过渡金属掺杂到III-V 族或II-VI 族半导体或者从弱磁性半导体中(DMSs)中寻找这种可能的磁性材料。其他可能性包括使用分子束外延从闪锌矿结构或纤锌矿结构中不断增长的二元化合物中寻找这种磁性材料。在这些化合物中，CrSb 得到了特别的关注。我们知道的CrSb 的一般结构是六角晶相(NiAs 型)，它在710K 的Neel 温度下是反铁磁性的。

最近，在闪锌矿结构中利用分子束外延方法在III-V 半导体上生成了CrSb 薄膜并且被证实在室温下可以显示铁磁行为。一些理论研究已经处理了CrSb 的这个相。Lui 用全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法预测了闪锌矿结构中的一种HM CrSb 晶相，它可以达到0.774eV ，磁矩可达3.000../B u f μShirai 计算了ZB-CrSb 的Curie 温度并发现此温度等于1600K 。

在这篇文章中我们延续了以前的研究，使用代表技术发展水平的从头计算自洽FPLAPW 方法对ZB 和NiAs 结构的CrSb 的电子性质和磁性能提供一个更完整的理解。文章的剩余部分组织如下。在第II 部分，简要的描述了本项研究中用到的计算方法。在第III 部分将讨论关于结构和电子性质的结果。在第IV 部分对工作做了总结。

表1铁磁性的ZB ，NiAs 以及反铁磁性的NiAs 结构中的平衡体积，体积模量

及其对压强的导数。与可得到的理论研究和实验数据的比较。

图1 铁磁性的ZB ，NiAs 以及反铁磁性的NiAs 结构中作为体积函数的内聚能。实心圆表示反铁磁性

NiAs 结构，空心圆表示铁磁性的NiAs 结构，空心三角形表示反铁磁性的ZB 结构以及实心三角

形表示铁磁性的ZB 结构。

表2 不同结构和晶相中的CrSb 的总磁矩和部分磁矩

II 详细计算

这项计算是在密度法内涵理论框架下进行的。我们使用wien2k 代码中的FPLAPW 方法。交换结果和关联结果使用局域自旋密度和广义梯度近似处理的。我们将基函数扩展为8max K R MT (MT R 是平面波半径max K 是倒易点阵矢的最大系数)。原子球内分波的最大值为l=10。对芯电子使用完全相对论近似。Muffin-tin 半径对Cr 和Sb 分别取为2.25和2.4bohrs 。使用Monkhorst 和PACK(MP)标准特殊k 点进行高度精确的布里渊区积分。对ZB 和NiAs 晶相，我们分别使用14×14×14和17×17×9的MP 网格。对应的布里渊区上的积分点对ZB 相为172个k 点，对NiAs 相为165个k 点。

III ．结果与讨论

为了计算基态性质，我们对在铁磁性晶相和反铁磁性晶相中ZB 和NiAs 结构的CrSb 进行彻底的结构优化并将它们与Murnaghan 经验状态方程进行拟合。

图1显示了内聚能随体积的变化。这个量定义为化合物总的基态能减去自旋极化部分总的原子基态总能的和。我们可以看到NiAs 结构在反铁磁性相中最稳定，这与实验结果符合的很好。在低温下CrSb 结晶于NiAs 反铁磁性相中。在

大体积压缩下，从NiAs到闪锌矿结构有一个相变过程。对ZB结构铁磁性相比AFM是更适合做稳定相。即使闪锌矿相不是CrSb的基态，但他在一些III-V族化合物的亚能级上有了实验性的发展并证实有FM次序。得到的体积，体积模量及其对压强的导数都在表1中列出了并且与先前的理论值和实验值进行了对比。

图2对铁磁性的ZB和NiAs以及反铁磁性的ZB和NiAs其磁矩随体积的变化

图3铁磁性ZB结构的自旋能带与相应的自旋向上总的态密度

图4铁磁性ZB结构的自旋能带与相应的自旋向上总的态密度

图5 在(110)面上点的部分自旋向上价态电荷密度

图6在(110)面上点的部分自旋向上价态电荷密度

图7在(110)面上点的部分自旋向上价态电荷密度

图8在(110)面上点的部分自旋向上价态电荷密度

图9反铁磁性NiAs结构的能带与相应的总的态密度

，图2显示了单胞内磁矩随体积的变化。在ZB结构中的磁矩仍然保持在3

B

而在铁磁NiAs相中的磁矩随体积的增加而增加。在反磁性的NiAs和ZB中随着

体积的变化磁矩为0，尽管Lui 在反磁性的NiAs 中发现磁矩有一个较小的变化。在表II 中给出了不同结构和相的CrSbde 总磁矩和局部磁矩。

在图3和4中分别画出了较多自旋(自旋向上MAS)和较少自旋(自旋向下，MIS)情况下与总的态密度一致的高对称方向的铁磁性ZB 相得自旋极化能带结构。从这些图中可以清楚地看到对自旋向上能带结构是具有金属性质的，对自旋向下能带结构是半导体性质的；HP 带隙大约为0.69eV 。在闪锌矿态，四面体环

境允许g t 2态(xy d ,yz d 和xz d )以及g e 态(2z d 和22--y x d )。g t 2态与周围阴离子的p 轨道之

间有很强的耦合并且会形成键态和反键态，而g e 态具有非成键特征并且不会参与杂化过程。

在-9eV 周围较多自旋和较少自旋的最低能带本质上鼓励了阴离子的s 态。

在-2eV 附近完全填满的MAS 和在-1eV 附近完全填满的MIS 带都是成键的g t 2-p 态，反映了Cr-Sb 电子的共价p-d 态。下面的两个能带本质上是通过Cr 的g e 态形成的，多数g e 带式位于-1eV 附近的价带，而少数g e 态在2eV 附近是位于导带的。这些能带与g t 2态能带相比都是非常窄的，反映了g e 态的非键性质。少数自旋的反键g t 2-p 能带是部分填满的并穿过了费米能级。导带中的少数自旋是重要的。最后，图9显示了具有相应的总态密度的反铁磁性NiAs 结构的能带结构。这两个最低的能带相当于SbDE 5s 态。其他能带主要来自于杂化p-d 能带。 IV ．结论

我们已经介绍了在闪锌矿结构和NiAs 结构中CrSb 的电子性质和磁性质的研究。我们始终使用了局域自旋密度和广义梯度近似中的全电子全电势线性缀加平面波方法。给出了不同结构和不同晶相的CrSb 的一些物理性质如总磁矩和部分磁矩。此外，通过计算内聚能，能带结构，态密度以及荷质比密度来对所研究的性质的进行详细分析。CrSb 是闪锌矿结构中磁矩为3.000../B u f μ的半金属铁磁体。在平衡体积下它的半金属能隙达到0.69eV 。