用于自旋电子学和热电器件应用的铁磁四元半金属FeZrTiGe的第一性原理计算

《Scientific Reports》：First-principles calculations on ferromagnetic quaternary half metal FeZrTiGe for spintronic and thermoelectric device application

　　

摘要

在本研究中，我们利用WIEN2k程序中的全势线性化增强平面波方法，系统地研究了四元Heusler合金FeZrTiGe的结构、磁性、电子性质、弹性、热力学性质以及热电性能。计算是在广义梯度近似和GGA+U框架下进行的，以此准确描述电子关联对材料性质的影响。该化合物采用α型结构，空间群为F-4?3m（#216），具有稳定的铁磁基态，总磁矩为2 μB。其电子结构显示出较强的半金属特性：自旋向上状态表现为金属性，而自旋向下状态则为半导体性，这使得费米能级处实现100%的自旋极化，因此该材料在自旋电子学应用方面具有巨大潜力。通过准谐德拜模型进行的热力学分析表明，该材料在较宽的温度和压力范围内都保持稳定。此外，负的形成能和正的凝聚能，以及不存在虚声子模式，进一步证明了FeZrTiGe的热力学和动力学稳定性。弹性常数则反映了材料的机械稳定性、延展性以及各向异性。热电计算结果显示，塞贝克系数随温度升高而增大，在1000 K时分别为约88.10 μV/K（GGA框架）和约112.72 μV/K（GGA+U框架），对应的ZT值分别为约0.40和约0.50。引入局域库仑相互作用后，该材料的电子性质和热电性能均得到提升，使其成为自旋电子学及高温热电应用领域的理想候选材料。