Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 4, стр. 378-383

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы Гейслера, а также сплавы на основе Fe–Pt и Fe–Rh обладают рядом уникальных функциональных свойcтв, что открывает возможность их практического применения в устройствах магнитной записи, магнитного охлаждения и спинтроники [1–3].

В работах [1, 4] исследована структура и свойства сплавов Fe₃Pt. Данные сплавы являются перспективными для технологии магнитной записи. В работе [4] приводятся плотности электронных состояний для сплава Fe₃Pt, а также показано, что в основном состоянии выгодна ферромагнитная (FM) фаза. Сплавы FePt с эквиатомным составом также являются перспективными для исследований благодаря большим значениям магнитокристаллической анизотропии. Пленки из этих сплавов просты в изготовлении и являются химически стабильными, такие материалы могут быть использованы в устройствах магнитооптической записи и магнитной записи с высокой плотностью [5, 6]. Известно, что на структуру и свойства сплавов Fe–Rh может повлиять не только изменение внешних параметров, таких как давление, деформация и магнитное поле [7–9], но и замещение атомов в составе сплавов. Так, в работе [10] экспериментально исследованы магнитные свойства и фазовые переходы в сплавах Fe–Rh–Pt. C помощью метода дифракции рентгеновских лучей получено, что сплавы FeRh_{1 –x}Pt_x с концентрацией x ≤ 0.1 имеют кубическую структуру, дальнейшее замещение атомов Rh на Pt приводит к формированию тетрагональной структуры. В работе [10] также отмечено, что замещение атомов Rh приводит к увеличению отношения степени тетрагональности c/a. Работа [11] посвящена изучению cплавов FeRh_{1 –x}Pt_x с концентрацией 0.7 ≤ x ≤ 0.75 с помощью дифракции рентгеновских лучей, мессбауэровской спектроскопии и магнитометрии. Показано, что линии переходов на фазовой диаграмме, построенной в переменных концентрация–температура, антиферромагнитная конфигурация (AFM) – парамагнитная конфигурация (PM), AFM-FM и FM-PM пересекаются в точке x = 0.715. Эквиатомный сплав FeRh обладает структурой типа CsCl, где каждый атом Rh расположен в центре куба, а атомы Fe – на вершинах куба. При низкой температуре данный сплав находится в AFM-состоянии, при температуре, близкой к 350 К, происходит метамагнитный фазовый переход в FM-состояние, где наблюдается коллинеарное упорядочение магнитных моментов атомов Fe и Rh [12]. Метамагнитный фазовый переход из AFM- в FM-фазу сопровождается объемным расширением кристаллической структуры примерно на 1% [13]. Также необходимо отметить, что сплавы с почти эквиатомным составом на основе Fe–Rh зарекомендовали себя как перспективные материалы для магнитного охлаждения и обладают рекордно большими значениями магнитокалорического эффекта (МКЭ) среди всех соединений [14]. Например, в работах [3, 15] исследованы магнитокалорические свойства сплавов Fe₄₉Rh₅₁ прямым методом. Значение МКЭ составило около 13 К в поле 2 Т. В работе [16] также проведены исследования МКЭ в сплавах Fe₄₈Rh_52. Значение МКЭ составило около 20 К в поле 0.8 Т. Интерес к исследованиям МКЭ обусловлен потребностью в материалах, обладающих высокими значениями МКЭ для создания охлаждающих устройств, в которых такие материалы могут выступать в роли рабочего тела магнитного охлаждающего устройства.

Наряду с экспериментальными исследованиями интерес представляют теоретические исследования сплавов на основе Fe–Rh и Fe–Pt, в частности, первопринципными методами [17–20]. Так, в работе [21] исследованы структура и магнитные свойства сплавов FeRh_{1 –x}Z_x (Z = Mn, Pt) при концентрации третьего элемента в пределах 0 ≤ x ≤ 0.375. Исследованы различные магнитные конфигурации (FM и две AFM), показано, что для сплавов, содержащих Pt, AFM-конфигурация с шахматным упорядочением электронных спинов является энергетически выгодной.

Сплавы Гейслера являются перспективными для применения в устройствах магнитного охлаждения, спинтроники и т.д., благодаря таким уникальным свойствам, как полуметалличность, большой МКЭ, сверхупругость, магнитоиндуцируемые деформации и др. [22–24]. Одним из наиболее перспективных направлений применения сплавов Гейслера является спинтроника, так как ряд сплавов демонстрируют высокую спиновую поляризацию на плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми. В работе авторов [22] исследованы магнитные свойства и электронная структура сплавов Гейслера Fe₂YSi (Y = Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Показано, что сплав Fe₂MnSi является полуметаллическим ферромагнетиком с величиной щели 0.42 эВ, сплав Fe₂MnSi также демонстрирует полуметаллические свойства в ферромагнитном состоянии.

Цель данной работы – теоретически исследовать свойства основного состояния и зонной структуры сплавов Гейслера Fe₂PtZ (где Z = Ga, In, Ge, Si, Sn, Al) и FeRh_{1 –x}Pt_x (x = 0, 0.125, 0.25, 0.375, 0.5, 0.625, 0.75, 0.875, 1) с применением первопринципных методов.

1. ДЕТАЛИ РАСЧЕТОВ

Исследования сплавов Fe₂PtZ и FeRh_{1 –x}Pt_x выполнены с помощью теории функционала плотности, реализованной в программном пакете VASP [25], в рамках приближения обобщенного градиента (GGA) в формулировке Пердью, Бурка и Эрнзерхофа (Perdew, Burke, Ernzerhof – PBE) [26]. В расчетах был использован метод проекционных присоединенных волн PAW (projector augmented wave) [27]. Энергия обрезания плоских волн составила 400 эВ. Число k-точек в первой зоне Бриллюэна было выбрано в виде сетки 12 × 12 × 12, полученной с помощью схемы Монхорста–Пака. Параметры для всех исследованных структур вычислены на 16-атомной ячейке для ферромагнитного, и трех видов антиферромагнитных состояний AFM-I, AFM-II и AFM-III (AFM-I-состояние представляет собой структуру с послойным чередованием направления магнитных моментов в плоскости (001); в AFM-II-структуре ориентация магнитных моментов располагается в шахматном порядке; в AFM-III-состоянии послойно чередуются направления магнитных моментов в плоскости (110)). В результате структурной оптимизации определены энергии основного состояния исследуемых сплавов для всех описанных выше магнитных конфигураций. Получено, что магнитная конфигурация AFM-I является невыгодной для всех исследуемых сплавов, поэтому в дальнейшем данные о конфигурации AFM-I не приводятся. Остальные исследуемые магнитные конфигурации представлены на рис. 1. В связи с тем, что сплавы Гейслера могут кристаллизоваться в кубические структуры различных пространственных групп, в работе были рассмотрены прямая (L2₁, пространственная группа 225) и инверсная (XA, пространственная группа 216) решетки сплавов Гейслера (рис. 2).

Рис. 1.

Магнитные спиновые конфигурации: ферромагнитная FM и два типа антиферромагнитных, AFM-II и AFM-III.

Рис. 2.

Два типа кубических решеток, сплавов Гейслера: L2₁ (пространственная группа 225) и XA (пространственная группа 216).

Для оценки возможной сегрегации соединений FeRh_1-xPt_x на первом этапе проводилась оценка энергии основного состояния для всех исследуемых двух- и трехкомпонентных сплавов, а затем оценивалась стабильность сплавов относительно распада на отдельные компоненты.

В работе были также рассчитаны плотности электронных состояний для исследуемых сплавов. Значения спиновой поляризации определяли по формуле

где N↑(E_F) и N↓(E_F) — плотность электронных состояний на уровне Ферми для направлений спина вверх и вниз соответственно.

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 3 представлены энергии основного состояния для спла вов FeRh_{1 –x}Pt_x, вычисленные относительно энергии выгодной спиновой конфигурации для заданного значения концентрации платины. Получено, что антиферромагнитная спиновая конфигурация AFM-II является энергетически выгодной для сплавов FeRh_{1 –x}Pt_x с концентрацией платины в пределах 0 ≤ x ≤ 0.625, далее при увеличении концентрации платины выгодной становится конфигурация AFM-III, а для сплава FePt выгодна FM-конфигурация. Для сплавов Pt₂FeZ получено, что спиновая FM-конфигурация и кристаллическая структура XA являются энергетически выгодными. В качестве примера на рис. 4 представлены зависимости энергии кристаллической решетки от ее параметра для сплава Гейслера Fe₂PtSi. В табл. 1 приведены данные об энергии и равновесных параметрах решетки, полных и частичных магнитных моментов сплавов Гейслера Fe₂PtZ для ферромагнитной конфигурации. Для сплавов FeRh_{1 –x}Pt_x также были рассчитаны равновесные параметры и зависимость энергии решеток от степени тетрагонального искажения. Согласно расчетам, параметр решетки и степень тетрагональности для сплава FePt составляют a = = 2.73 Å и c/a = 1.38. Данные значения согласуются с экспериментальными (c/a = 1.359 [10]) и теоретическими данными (c/a = 1.39 [28]). Для сплавов FeRh_0.125Pt_0.875 и FeRh_0.25Pt_0.75, в которых энергетически выгодной является магнитная конфигурация AFM-III, параметры решетки составляют 2.75 и 2.74 Å соответственно, а параметр c/a = 1.33. Для серии сплавов FeRh_0.375Pt_0.625, FeRh_0.5Pt_0.5, FeRh_0.625Pt_0.375, FeRh_0.75Pt_0.25, FeRh_0.875Pt_0.125 c выгодной магнитной конфигурацией AFM-II параметры решетки близки к друг другу и примерно равны 2.76 Å, тогда как степень тетрагональности принимает значения c/a = 1.3, 1.3, 1.28, 1.27, 1.26 соответственно. Как видно из полученных данных, для энергетически выгодных магнитных конфигураций параметр c/a уменьшается при уменьшении содержания Pt, что также согласуется с экспериментальными данными [10]. Для сплава FeRh в энергетически выгодной магнитной конфигурации AFM-II равновесный параметр решетки составляет a₀ = 2.99 Å (экспериментальные данные a₀ = 2.986 Å [29], теоретические данные a₀ = 2.99 Å [30]).

Рис. 3.

Энергии основного состояния сплавов FeRh_1 – xPt_x, вычисленные относительно энергии выгодной спиновой конфигурации.

Рис. 4.

Зависимость энергии сплава Гейслера Fe₂PtSi от параметра решетки.

С целью исследования устойчивости сплавов FeRh_1 – xPt_x рассчитана их энергия формирования как разность между полной энергией для каждого сплава и энергий чистых элементов, входящих в состав, в соответствии с их концентрацией. Положительное значение энергии формирования указывает на то, что сплав нестабилен, т.е. такой сплав не может образоваться в условиях равновесия. Полученные нами значения энергии формирования для всех исследуемых сплавов оказались ниже нуля, что свидетельствует о том, что сплавы стабильны относительно распада на элементарные составляющие.

Для оценки полуметаллических свойств рассчитаны плотности электронных состояний для сплавов, в которых выгодно FM-упорядочение. Плотности электронных состояний и величина спиновой поляризации для сплавов Гейслера Fe₂PtZ представлены на рис. 5. Кроме того, спиновая поляризация была рассчитана для сплава FePt, ее величина составила P ≈ 80%.

Рис. 5.

Плотности электронных состояний (ПЭС) и величина спиновой поляризации (P) для шести сплавов Гейслера Fe₂PtZ.

Из представленных на рис. 5 данных можно сделать вывод о том, что наиболее перспективными сплавами для спинтроники являются Fe₂PtIn и FePt, обладающие наибольшими значениями спиновой поляризации. Из рис. 5 также следует, что сплав Fe₂PtSi имеет щель вблизи уровня Ферми. Для получения 100%-ной поляризации в данном сплаве можно ее сдвинуть на уровень Ферми путем приложения давления или путем допирования сплава четвертым элементом. Так, например, в работе [31] показано, что для сплавов Co₂XZ приложенное давление может менять положение щели вблизи уровня Ферми.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе теоретически исследованы свойства основного состояния сплавов Fe₂PtZ и FeRh_1 – xPt_x. Полученные значения параметров решетки для сплавов FePt и FeRh хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что все сплавы стабильны относительно распада на элементарные составляющие при 0 K. Сплавы Fe₂PtIn и FePt демонстрируют наибольшие значения спиновой поляризации. Повысить степень поляризации сплавов возможно за счет воздействия давления или допирования четвертым элементом. Рассмотренные соединения могут быть перспективны для применения в области спинтроники, в связи с этим представляет интерес их дальнейшее изучение.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.