铪基铁磁半金属的结构、弹性、电子、磁性与热电特性的第一性原理研究

本研究针对热电转换与自旋电子学材料开发的关键问题，采用基于密度泛函理论(DFT)的线性缀加平面波(LAPW)方法，系统分析了半赫斯勒合金HfMnAs和HfMnGe的多维物性。研究发现这两种材料具有负磁矩(-2μB/-3μB)、直接/间接带隙(0.93eV/1.09eV)及优异的热电优值(ZT=0.52/1.09@1400K)，为开发新型自旋热电多功能材料提供了理论依据。

　　

随着全球能源危机与环境问题的加剧，开发能将废热转化为电能的热电材料成为研究热点。与此同时，传统电子器件面临存储瓶颈，基于电子自旋特性的自旋电子学(spintronics)应运而生。然而，兼具高效热电转换与自旋调控功能的材料体系仍属稀缺，这主要源于半导体与金属在导电特性上的固有矛盾。半金属(half-metal)材料因其独特的自旋极化带结构——一个自旋通道呈现金属性而另一通道呈现半导体性，为解决这一难题提供了新思路。

在此背景下，研究人员对铪基半赫斯勒合金HfMnAs和HfMnGe展开了系统性研究。采用WIEN2k软件包进行第一性原理计算，结合全势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法和广义梯度近似(GGA-PBE)处理交换关联作用，通过弹性常数计算验证机械稳定性，利用玻尔兹曼输运方程分析热电参数。磁性分析采用Slater-Pauling规则，带隙计算通过自旋极化能带结构实现。

稳定性分析
晶体结构计算显示两种合金均稳定存在于F4￣3m(216)空间群，Hf、Mn、Z(As/Ge)原子分别占据(0,0,0)、(0.25,0.25,0.25)和(0.5,0.5,0.5)Wyckoff位置。弹性常数满足立方晶系的力学稳定性条件，表明材料具备实验合成的可行性。

电子与磁性特征
HfMnAs和HfMnGe表现出典型的半金属特性：HfMnAs在自旋向下通道呈现0.93eV的直接带隙，HfMnGe则显示1.09eV的间接带隙。磁性分析揭示二者分别具有-2μ_B和-3μ_B的整数磁矩，符合Slater-Pauling规则，证实其铁磁有序状态下的100%自旋极化率。

热电性能
在1400K高温下，HfMnGe展现出卓越的热电性能：塞贝克系数达170μV/K，热电优值ZT高达1.09，显著优于HfMnAs的25μV/K和ZT=0.52。这种差异源于Ge原子比As原子更弱的电声耦合作用，导致晶格热导率降低。

该研究首次系统揭示了HfMnZ(Z=As,Ge)体系的多功能特性，其兼具半金属性、铁磁性和优异热电性能的特点，为设计自旋热电一体化器件提供了新材料平台。特别值得注意的是，HfMnGe在高温下ZT值突破1.0的阈值，达到实用化热电材料的标准，同时其负磁矩特性为自旋注入器件开发提供了新选择。这些发现不仅拓展了半赫斯勒合金在能源转换与自旋电子学领域的应用前景，也为后续实验合成与性能优化奠定了理论基础。