ПЕРВОПРИНЦИПНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРА X₂FeSi

В рамках теории функционала плотности изучены характеристики, связанные с электричеством и магнетизмом в сплавах Гейслера как с полной (L₂1), так и с инверсной (XA) структурой X₂FeSi (X = Mn, V). Расчеты проводились на трех различных функционалах: LDA, GGA и мета-GGA. Цель состояла в том, чтобы исследовать энергетическую стабильность структур L₂1 и XA для этих композиций. Полученные данные показали, что структура ХА является энергетически стабильной для обеих структур. Отмечено, что выбор функционала не оказывает качественного влияния на энергетическую устойчивость фаз. На основе расчетов было установлено, что meta-GGA (SCAN) более точно описывает электронные свойства этих сплавов. В процессе расчетов было установлено, что эти соединения являются полуметаллами. Был проведен анализ с точки зрения местной окружающей среды, чтобы исследовать и понять причины полуметаллической запрещенной зоны и изменения электронных и магнитных свойств, наблюдаемые в соединениях Гейслера. Расчеты также показали, что магнитный момент Mn₂FeSi для обеих структур составляет 1,99 µ_Б/ф.е. Для V₂FeSi µ = 2,00 µ_Б/ф.е. для структуры XA и µ = 2,37 µ_Б/ф.е. для структуры L₂1. Эти расчеты согласуются с правилом Слейтера-Полинга для XA-структуры.

1. M.N. Rasul, A. Javed, M.A. Khan, A. Hussain, Structural stability, mechanical, electronic and magnetic behavior of quaternary ScNiCrX (X = Al, Ga) Heusler alloys under pressure, Mater. Chem. Phys. 222 (2018) 321–332. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.09.015

2. A. Abada, K. Amara, S. Hiadsi, B. Amrani, First principles study of a new halfmetallic ferrimagnets Mn2based full Heusler compounds: Mn2ZrSi and Mn2ZrGe, J. Magn. Magn. Mater. 388 (2015) 59–67. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.04.023

3. Y. Ze-Jin, G. Qing-He, X. Heng-Na, et al., Pressureinduced magnetic moment abnormal increase in Mn2FeAl and non-continuing decrease in Fe2MnAl via first principles, Sci. Rep. 7 (1) (2017) 16522. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16735-1

4. S. Qi, C.-H. Zhang, B. Chen, J. Shen, N. Chen, Firstprinciples study on the ferrimagnetic half-metallic Mn2FeAs alloy, J. Solid State Chem. 225 (2015) 8–12, https://doi.org/10.1016/j.jssc.2014.11.026

5. S. Ahmad Khandy, J.-D. Chai, Novel half-metallic L21 structured full-Heusler compound for promising spintronic applications: a DFT-based computer simulation, J. Magn. Magn Mater. (2019) 165289. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165289

6. F.U. Abuova, T.M. Inerbayev, A.U. Abuova, G.A. Kaptagay, N.A. Merali, N. Soltanbek // Electronic structure, magnetic properties and stability of Heusler alloys Mn2Co1-хVхZ (Z = Al, Ga). NNC RK Bulletin. – 2020. – No. 4(84). – P. 22–29. [in rus.]

7. Said Bakkar, New Inverse-Heusler Materials with Potential Spintronics Applications Theses. 2207, Southern Illinois University Carbondale, United States, 2017, p. 75.

8. A.B. Granovskii, E.A. Soboleva, Fadeev, et al., Martensitic phase transition in magnetic thin films based on inverse Mn2FeSi Heusler alloys, J. Exp. Theor. Phys. 130 (1) (2020) 117–122. https://doi.org/10.1134/s1063776119120033

9. Sergey V. Faleev, Yari Ferrante, Jaewoo Jeong, Mahesh G. Samant, Barbara Jones, and Stuart S. P. Parkin, Origin of the Tetragonal Ground State of Heusler Compounds, Phys. Rev. 7 (3) (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.034022

10. Abuova, F., et al., Structural, Electronic and Magnetic Properties of Mn2Co1-xVXZ (Z= Ga, Al) Heusler Alloys: An Insight from DFT Study. Magnetochemistry, 2021. 7(12): p. 159.

11. Abuova, A., et al., Electronic Properties and Chemical Bonding in V2FeSi and Fe2VSi Heusler Alloys. Crystals, 2022. 12(11): p. 1546.

12. H. Z. Luo, H. W. Zhang, Z. Y. Zhu, L. Ma, S. F. Xu, G. H. Wu, X. X. Zhu, C. B. Jiang, and H. B. Xu, Half-metallic properties for the Mn2FeZ (⁠Z=Al ⁠, Ga, Si, Ge, Sb) Heusler alloys: A first-principles study, Journal of Applied Physics 103, 083908 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2903057

13. A. Aryal, S. Bakkar, H. Samassekou, et al., Mn2FeSi: an antiferromagnetic inverse-Heusler alloy, J. Alloys Compd. 823 (2020) 153770, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153770

14. Jianhua Ma, Jiangang He, Dipanjan Mazumdar, et al., Computational investigation of inverse Heusler compounds for spintronics applications, Phys. Rev. B 98 (2018), 094410. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.094410

15. Oksana N. Draganyuk, Vyacheslav S. Zhandun*, Natalia G. Zamkova, Half-metallicity in Fe2MnSi and Mn2FeSi Heusler compounds: A comparative ab initio study, Materials Chemistry and Physics, Vol. 271, 2021, 124897. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124897

16. Ondrˇej Životský, Katerˇina Skotnicová, Tomáš Cˇegan, Jan Jurˇica, Lucie Gembalová, František Zažímal and Ivo Szurman, Structural and Magnetic Properties of InverseHeusler Mn2FeSi Alloy Powder Prepared by Ball Milling, Materials (Basel). 2022; 15(3): 697. https://doi.org/10.3390/ma15030697

17. M.A. Zagrebin, V.D. Buchelnikov, V.V. Sokolovskiy, I.A. Taranenko, S.I. Saunina, First Principles Calculations of Magnetic Exchange Parameters of Fe-Mn-Al Heusler Alloys. Solid State Phenomena. – 2014. – Vol. 215. – P. 131–136. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.215.131

18. I. Galanakis, K. Özdoğan, E. Şaşıoğlu and B. Aktaş, Doping of Mn2VAl and Mn2VSi Heusler alloys as a route to half-metallic antiferromagnetism, Phys. Rev. B 75, 092407. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.092407

19. Blöchl, P. E. Projector augmented-wave method / P. E. Blöchl // Phys. Rev. − 1994. − V. 50, No. 24. − P. 17953– 17979.

20. P. Hohenberg and W. Kohn, Inhomogeneous Electron Gas, Phys. Rev. 136, B864 (1964). https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864

21. W. Kohn and L.J. Sham, Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects, Phys. Rev. 140, A1133 (1965). https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133

22. J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

23. J. Sun, R.C. Remsing, Y. Zhang, Z. Sun, A. Ruzsinszky, H. Peng, Z. Yang, A. Paul, U. Waghmare, X. Wu, M.L. Klein, and J.P. Perdew, Accurate first-principles structures and energies of diversely bonded systems from an efficient density functional, Nat. Chem. 8, 831 (2016). https://doi.org/10.1038/nchem.2535

24. J. Sun, B. Xiao, Y. Fang, R. Haunschild, P. Hao, A. Ruzsinszky, G.I. Csonka, G.E. Scuseria, and J.P. Perdew, Density Functionals that Recognize Covalent, Metallic, and Weak Bonds, Phys. Rev. Lett. 111, 106401 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.106401

25. I. Galanakis, P.H. Dederichs, N. Papanikolaou, Slater-Pauling behavior and origin of the half-metallicity of the full-Heusler alloys, Phys. Rev. B 66 (2002) 174429.

26. S. Skaftouros, K. Özdoğan, E. Şaşıoğlu, and I. Galanakis, Generalized Slater-Pauling rule for the inverse Heusler compounds, Phys. Rev. B 87, 024420. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.024420

27. N.G. Zamkova, V.S. Zhandun, S.G. Ovchinnikov, I.S. Sandalov, Effect of local environment on moment formation in iron silicides, J. Alloys Compd. 695 (2017) 1213–1222.

28. F.U. Abuova, T.M. Inerbaev, A.U. Abuova, G.A. Kaptagay, N.A. Merali, Structural, electronic and magnetic properties of vanadium doped Mn2CoZ(Al/Ga). News of the Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. аl-Farabi Kazakh National University. 5 (339), 2021 [in rus.]. https://doi.org/10.32014/2021.25181726.79