Ag基新型Heusler合金预测及理论研究

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自Heusler合金问世以来的一百多年时间里,由于大量具有各种物理特性的新型Heusler合金材料不断被发现、制备并广泛应用,使得对于新型Heusler功能材料的设计与合成至今依旧是材料科学领域的热点研究方向之一。我们使用基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法对原子替换所得的Ag基Heusler合金材料进行了高通量计算,得到了多种稳定的新型Heusler合金结构。文中系统的讨论了这几种新结构的稳定性,也对它们的结构性质,力学性质、电子性质等展开了研究,为实验上合成和其他新型的自旋效应材料的研究提供了理论依据。本文的主要成果如下:1.全Heusler合金的化学通式为X2YZ,我们以Ag为X原子,以过渡金属元素Sc为Y原子,以Ge为Z原子,分别构建出了构型为L21和XA的Ag2ScGe结构。我们通过结构优化,得到两种结构的理想晶格常数,并对结构进行了稳定性的讨论,结果表明XA构型的Ag2ScGe结构是稳定的。对这个稳定结构XA构型的Ag2ScGe进行的高压下的稳定性研究表明,在至少50 GPa以下的高压下这个结构是稳定的。其力学性质和电子性质计算显示它有着较大的泊松比和B/G值,能带与费米能级相交,这表明这种新型的Heusler合金结构Ag2ScGe是一种有着良好延展性的金属性材料。2.通过对已证明稳定的XA构型Heusler合金结构Ag2ScGe进行原子替换后,我们得到了一批初始结构Ag2YGa(Y=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)。这些结构充分优化后的声子谱显示,只有Ag2Ti Ga结构和Ag2VGa结构是动力学稳定的,结合力学稳定性的研究,表明这两种结构是稳定结构。我们也对这两种结构的其他力学性质和电子性质进行了研究和比较。从B/G值来看,Ag2VGa和Ag2Ti Ga结构都是延展性材料,而Ag2Ti Ga结构的延展性要大于Ag2VGa结构。根据对两种结构进行的电子性质研究显示,它们的自旋能带都不存在自旋带隙,这表明Ag2Ti Ga结构和Ag2VGa结构都是金属性材料,而且,Ag2VGa结构的自旋态密度图在费米能级附近有着明显的自旋劈裂,并且计算出的Ag2VGa结构的总磁矩为2.28μB,这表明Ag2VGa有着良好的磁性。3.对已证明稳定的XA构型的Ag2ScGe结构进行原子替换,使用Tl原子替换Ga原子,再使用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni原子分别替换Sc原子,我们得到了一批三元Heusler合金结构Ag2YTl(Y=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)。这些结构充分优化后的声子谱显示,其中只有Ag2Ti Tl结构是动力学稳定的。之后我们也对Ag2VGa和Ag2Ti Tl结构分别进行了原子的替换,得到了AgTiVGa、AgVTi Ga、AgTiVTl和AgVTi Tl四种结构,其优化后的声子谱表明,只有AgTiVGa结构是动力学稳定的。结合Ag2Ti Tl和AgTiVGa结构的力学稳定性的研究,表明这两种结构是稳定的。另外,我们还研究了这两种结构的其他力学性质和电子性质。力学性质的研究表明它们都存在着良好的延展性和弹性各项异性。根据对两种结构进行的电子性质计算显示,它们的自旋能带都不存在带隙,表明Ag2Ti Tl结构和AgTiVGa结构也都是金属性材料。此外,AgTiVGa结构的自旋能带和自旋态密度图有着非常明显的自旋劈裂,计算的AgTiVGa结构的总磁矩为4.79μB,表明它有着良好的磁性质。结合原子态密度和原子磁性计算的结果可知,AgTiVGa的磁性主要来源于Ti和V原子。
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