AlTiOsMn四元Heusler合金：一种具有前景广阔的自旋热电子特性的半金属铁磁体

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：AlTiOsMn Quaternary Heusler Alloy: A Half-Metallic Ferromagnet with Promising Spin-Caloritronic Properties

　　

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  通过第一性原理计算预测，AlTiOsMn四元Heusler合金是一种稳定的铁磁性金属间化合物。
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  观测到从金属性行为（GGA）到强半金属性（GGA+U）的转变，具有0.19 eV的半金属带隙和100%的自旋极化。
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  该合金遵循Slater–Pauling规则，具有4 μB的整数量磁矩，主要由Mn-d态决定。
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  力学和动力学分析确认了结构稳定性，表现为韧性行为和高热稳定性。
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  获得强自旋相关的热电响应，表明其在自旋电子学应用中具有令人期待的自旋热量子学性能。

引言

自旋电子学^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}和自旋热量子学^{8, 9, 10, 11}的快速发展驱动了新技术的涌现，激发了对能够同时控制电荷、自旋和热流的材料的广泛研究。自旋电子学材料和器件被广泛认为是存储、人工智能、分子电子学和低功耗信息处理的有前景的候选方案。与此同时，自旋热量子学系统显示出在热自旋转换和自旋输运过程中的巨大潜力^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11}。磁性响应材料还推动了生物医学和传感应用的发展，从用于药物递送的磁性微/纳机器人^{95, 96}到原子磁力计⁹⁷和用于精密磁场检测的NV金刚石量子传感器^{103, 104}。同时，越来越多的关注被投入到能够在单一系统中集成多种物理性能的多功能材料上，在可持续能源技术和先进纳米器件^{12, 13, 14, 15}中具有潜在应用，例如将滑动铁电性与光电子功能相结合的层状半导体⁹⁸。四元Heusler（QH）合金是此类应用的有前景候选材料，因其多样化的电子结构、多样的磁性性质以及独特的热电、光学和半金属特性而受到 considerable 关注，如许多近期的理论研究所示^{16, 17, 18, 19, 20, 21}。近期的第一性原理研究将这一图景扩展到了各种半Heusler和全Heusler体系，详细描绘了它们的结构、弹性、电子、磁、光学、热力学和热电行为^{105, 106, 107, 108, 109, 118}。许多QH合金可以表现出半金属行为，其特征是在一个自旋通道中具有金属电导率，而在另一个通道中具有半导体或绝缘体行为，从而实现完全自旋极化，使其成为自旋注入和自旋电子学应用的有前景候选材料^{22, 23, 24}。手性反铁磁序的电学开关最近将自旋电子学控制扩展到了传统铁磁体之外⁹⁹。尽管已经对传统Heusler材料进行了大量研究，但由于其多样化的功能特性，包括半金属性、反常霍尔效应、可调磁性性质以及用于自旋电子学应用的增强电子性质，探索新型等原子四元Heusler（EQH）材料仍然备受关注^{25, 26, 27, 28, 29}。通过元素替代或掺杂调节的半金属铁磁性和亚铁磁性已在Mn₂OsSn、Ir₂HfB/Al/Ga、Mn₂IrGe、X₂LuSb（X = Mn, Ir）、Nd掺杂的NaScGe和SiRbCa等化合物中报道，进一步证明了Heusler体系自旋极化对组成的敏感性^{112, 113, 114, 120, 121, 124}。

在这方面，Al–Ti–Os–Mn合金被认为是实现增强热稳定性同时保持半金属特性的有前景候选材料。引入Os等重过渡金属元素可诱导强自旋–轨道耦合，这可能显著影响合金的电子结构和磁各向异性。类似的超重元素策略也用于Dy/Tb晶界扩散以提升烧结NdFeB磁铁的矫顽力¹⁰⁰。另一方面，Mn贡献较大的局域磁矩，而已报道的含Al和Ti的四元Heusler合金表现出高结构稳定性、自旋无能隙半导体性、半金属性以及有前景的热电和光学性质^{30, 31, 32, 33, 34, 35}。互补研究报告了LiXZ（X = La, Y; Z = Ge, Si）、Li₂BeX（X = Si, Ge, Sn）和Co₂MB（M = Nb, Ta）Heusler化合物的高热电性能^{111, 116, 117}，而KZnN/KZnP、CaYP（Y = Cu, Ag）和CaMgZ（Z = C, Si, Ge, Sn, Pb）半Heusler合金则被评估了它们的光学和光电响应^{115, 119, 122}。一篇最近的综述进一步整合了面向自旋电子学Heusler合金的结构、电子、磁性和热力学趋势¹¹⁰，而含稀土元素的体系如Ag₂YB（Y = Nd, Sm, Gd）和Ag₂GdZ（Z = Si, Sn, Pb）将该家族扩展到了基于镧系元素的磁性和热行为^{123, 125}。

然而，此类合金的实际适用性取决于它们的热力学稳定性以及承受各种形式应力的能力，包括高温运行、机械变形和腐蚀，如近期对结构铝合金所研究的。¹⁰¹ 虽然已经利用DFT计算理论预测了大量Heusler合金，但它们的实际可合成性主要取决于其亚稳态、形成能以及稳定其结构的化学键合性质^{36, 37, 38, 39, 40}。此类合金的薄膜制备通常依赖于等离子体沉积，其放电动力学现已通过PIC-MCC模拟得以解析¹⁰²。先前的工作仅间接识别了AlTiOsMn，一项关于四元Heusler/MgO异质结构的高通量筛选研究将其列为展示隧道磁阻（TMR）比率超过100%的有限候选材料之一⁴⁶，但此后未有关于体相AlTiOsMn的详细基础研究报道。因此，本工作的目标是通过在密度泛函理论（DFT）框架内对体相AlTiOsMn的结构稳定性、电子、磁、热电和声子相关性质进行全面的第一性原理研究来弥补这一空白。

特别强调使用GGA和GGA+U计算研究AlTiOsMn的电子和磁性质，包括自旋–轨道耦合（SOC）的影响，以评估其适用于自旋电子学应用的能力。此外，分析了声子介导的热输运和晶格热导率以评估合金的热稳定性和热输运特性，同时考察了电荷和自旋相关的热电系数以探索其在自旋热量子学应用中的潜力。我们的结果表明，AlTiOsMn是一种有前景的热稳定且具有韧性的合金，在自旋电子学和能量收集^{41, 42, 43, 44, 45}中具有潜在应用。

本文其余部分组织如下。第2节描述了用于第一性原理计算的计算方法。第3节呈现结果和讨论，包括合金的结构、热力学、弹性、热学和动力学稳定性；声子、电子、磁、光学和热电性质。最后，第4节总结了本调查的关键发现。

章节摘要

计算细节

计算在密度泛函理论（DFT）⁴⁷框架内使用Quantum ESPRESSO^{48, 49}软件包进行。交换–相关泛函在广义梯度近似（GGA）框架下处理，使用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）公式⁵⁰。选择PBE-GGA泛函是因为其在描述扩展固态体系的交换相关能方面在精度和计算成本之间具有良好平衡，能够捕捉

结构性质和热力学稳定性

AlTiOsMn属于等原子四元Heusler（EQH）化合物类别，以LiMgPdSn型结构结晶，立方空间群F-43m（No. 216）^{46, 63, 64}。在该结构中，四个组成元素（Mn、Ti、Os和Al）占据四个不等价的Wyckoff位置4a（(0,0,0)）、4b（(1/2,1/2,1/2)）、4c（(1/4,1/4,1/4)）和4d（(3/4,3/4,3/4)）。由于原子种类可以以不同方式分布在这些晶体学不等价位点上，

结论

总之，AlTiOsMn被确定为一种低能亚稳态四元Heusler合金，其电子、磁性和输运性质受到电子关联的强烈影响。铁磁性Type 3构型在能量上占优势，平衡晶格参数为6.06 ?，凸包上能量仅为0.037 eV/atom。该合金机械上刚硬且具有韧性，声子计算和从头算分子动力学表明动力学和

CRediT作者贡献声明

E. Salmani：验证、监督、软件、方法论、调查。Z. Fadil：写作 – 初稿、验证、方法论、调查。Chaitany Jayprakash Raorane：验证、资源、项目管理、资金获取。Mohamed A. Salem：验证、资源、项目管理、资金获取。A. Et-Taleb：写作 – 初稿、验证、软件、方法论、调查。A. Samih：写作 – 初稿、验证、软件、方法论，

未引用参考文献

132.

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据和代码可用性

本研究通过摩洛哥拉巴特国家科学技术研究中心（CNRST）提供的HPC-MARWAN（hpc.marwan.ma）计算资源获得支持。

伦理批准

不适用

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢：

作者感谢King Khalid University研究研究生院通过大型研究项目（项目编号RGP2/83/47）对本工作的资助。

A. Samih|A. Et-Taleb|Z. Fadil|E. Salmani|Mohamed A. Salem|Chaitany Jayprakash Raorane