Ab-initio Study of the Physical Properties of Heusler Allays

Abstract

الملخص )بالعربية( :

منذ اكتشافها، أصبحت سبائك المغناطيس الحديدية النصف معدنية موضوعا للعديد من البحوث النظرية والتطبيقية. لقد جذبت مركبات هسلر المعروفة معظم الاهتمام حيث أن العديد منها يتميز بالخصائص النصف معدنية. تضم عائلة هسلر الآلاف من المركبات التي تمتازبخصائص مغناطيسية متنوعة مما يجعلها ذات أهمية كبيرة في مختلف الميادين المعاصرة مثل السبينترونيكس.لهذا السبب، كان جل اهتمامنا يتمحور حول مركبات هسلر الثلاثية الأكثر استكشافا بالإضافة الى مشتقاتها الرباعية. قمنا في هذا العمل بدراسة الخصائص البنيوية، الالكترونية، المغناطيسية وخصائص المرونة، بالإضافة الى الخصائص الكهرو حرارية لسبائك هسلر الثلاثية والرباعية القائمة على معادن الحديد الكوبالت.الحساباتأجريت بالاعتماد على طريقة الموجة المستوية خطيا المدمجة في برنامج wien2k في إطار نظرية تابع الكثافة الدالية DFTوذلك باستخدام التقريب .GGA بالنسبة لمركبات هسلر الثلاثية X2MoGe (X = Co, Fe) وCo2MoSb، فهي تمتاز ببنية مكعب ةمتماسكة و مستقرة، و هي البنية العكسية XA. أما بالنسبة لباقي المركبات، فهي تمتاز بالبنية المكعبة L21.عند دراسة الخصائص الالكترونية، وجدنا أن المركبانFe2ZrSb وCo2ZrGeهما من فئة النواقل النصف معدنية حيث قيم العزم المغناطيسي الكلي تساوي µB 0.99 و µB 1.96،بالتتابع.بالنسبة لمركب Fe2ZrGe، فهو يمتاز بكونه شبه ناقل مع قيمة العزم المغناطيسي الكلي µB 0 .أما باقي المركبات فهي من فئة النواقل في حالتي السبين الأعلى والسبين الأسفل. قمناكذلك بحساب معاملات المرونة الخاصة بالبنية المكعبة، فوجدنا أن ثوابت المرونة C11، C12 و C44 الخاصة بالمركباتFe2ZrSb، Co2ZrGe و Fe2MoZ (Z = Ge, Sb) تخضع لشروط الاستقرار.أما بالنسبة للمعاملات الخاصة بالمركبات Fe2ZrGe، Co2ZrSb و Co2MoZ، فنلاحظ أنC11 أصغر منC12،مما يرجح عدم استقرارها. عند دراسة مركبات هسلر الرباعية، وجدنا أن المركبان CoFeZrGe و CoFeZrSb يتميزان بخصائصهما النصف معدنية مع قيم العزم المغناطيسي الكلي µB1.05 و µB1.99، بالتتابع. أما عنباقي المركبات، فهي من فئة النواقل في حالتي السبين الأعلى والأسفل. أظهرت نتائج حساب معاملات المرونة أن كل المركبات الرباعية تخضع لشروط الاستقرار. وأخيرا قمنا بدراسةالخصائص الكهرو حرارية، حيث أظهرت الحسابات مدى فاعلية هذه المركبات في مجال الاستخدام الكهرو حراري، مما يشجع على المزيد من الدراسات الفرضية والتطبيقية لهذه المركبات الحديثة. الكلمات المفتاحية:سبائك هسلر، النواقل النصف معدنية، معاملات المرونة، الخصائص الكهرو حرارية، نظرية تابع الكثافة الدالية. ---------------------------------------------- Résumé (Français: Dès leur découverte, les matériaux semi-métalliques sont devenus très attractifs et ils présentent un sujet de base dans des milliers de recherches théoriques et expérimentales. Une raison particulière est leur usage dans divers domaines modernes notamment, ceux concernant le domaine du spintronique. Pour cette raison, nous étions intéressés à l’étude des alliages ternaires ainsi que leurs filles quaternaires. En premier lieu, on a investiguer le groupe Co2- et Fe2YZ d’alliages ternaires (X = Fe, Co;Y = Zr, Mo and Z = Ge, Sb) en utilisant la méthode ab-initio. La structure Cu2MnAl a été adoptée par tous les alliages sauf X2MoGe et Co2MoSb, où la structure Hg2CuTi été plus stable énergétiquement. Après étudier les propriétés électroniques, on a trouvé deux composés semi-métalliques(Co2ZrGe et Fe2ZrSb)qui pourraient être utiles dans le domaine du spintronique. Les résultats du matériau Co2ZrGe ont été déjà prédits dans quelques études théoriques, et le type de structure et la valeur du gap sont en bon accord avec nos résultats. Ainsi, on a calculé les propriétés élastiques de ces composés ternaires. On a trouvé que les matériaux Fe2ZrSb, Co2ZrGe et Fe2MoZ (Z = Ge, Sb) satisfont les conditions de stabilité, où le semi-métallique Fe2ZrSb est le seul matériau caractérisé par une ductilité accrue. Ensuite, on a étudié une deuxième famille de Heusler appelée les alliages quaternaires XX’YZ (X = Co, Fe; X’ = Mo, Fe; Y = Zr, Fe; Z = Sb, Ge) et on a essayé de trouver la relation entre leurs propriétés physiques et celles de leurs parents ternaires. La méthode DFT a été de nouveau appliquée afin de savoir la nature magnétique de ces composés et on a trouvé deux autres semi-métaux (CoFeZrGe et CoFeZrSb). Ces derniers ont été déjà investiguer et leurs paramètres de mailles et gaps sont très proche de ceux estimés dans notre travail. En outre, nous avons calculé les paramètres élastiques, propriétés électroniques et efficacité thermoélectrique des alliages quaternaires. Ils se sont révélés mécaniquement stables et ils présentent différents degrés de ductilité. Ainsi, ils pourraient être très efficaces pour les applications de champ thermoélectrique, ce qui ouvre la voie à d’autres recherches théoriques et expérimentales concernant ces nouveaux matériaux Heusler. Les mots clés: alliages Heusler, les matériaux semi-métalliques, les constantes élastiques, les propriétés thermoélectriques, la théorie de la fonctionnelle de la densité. ---------------------------------------------- Résumé (Anglais) : Since their discovery, half-metallic ferromagnets have been the topic of many theoretical and experimental researches due to their potential applications. The well-known Heusler compounds have attracted most attention as several among them were predicted to be half-metals. The family of Heuslers incorporates thousands of members exhibiting diverse magnetic phenomena, which makes them very useful in various contemporary fields such as spintronics. For this reason, we have been interested in the ternary most explored group of Heusler alloys as well as their quaternary daughter systems. At first, we have investigated a set of Co- and Fe-based ternary systems (X = Fe, Co; Y = Zr, Mo and Z = Ge, Sb) using ab-initio calculations. We found that Cu2MnAl type structure is more favorable for all compounds, except X2MoGe (X = Co, Fe) and Co2MoSb where the inverse structure was energetically more stable. After studying the electronic properties, we have identified two half-metals (Co2ZrGe and Fe2ZrSb) that could be potential for spintronics applications. Unlike Fe2ZrSb, the half-metallicity in Co2ZrGe alloy has already been predicted in few theoretical studies where the structural and electronic properties agree well to our results. We have also checked the mechanical properties of the ternary alloys. The elastic parameters indicated the mechanical stability of the four Fe2ZrSb, Co2ZrGe and Fe2MoZ (Z = Ge, Sb) materials, where the half-metallic Fe2ZrSb compound is the only one characterized by an enhanced ductility. Afterwards, we completed the previous study by forming eight quaternary structures using the same previous magnetic components. We have studied the physical properties of the quaternary XX’YZ alloys (X = Co, Fe; X’ = Mo, Fe; Y = Zr, Fe; Z = Sb, Ge) and explained their relation with the former ternary Heuslers. The DFT method was once again applied to investigate the magnetic nature of these alloys and we found two other half-metals (CoFeZrGe and CoFeZrSb). Actually, both materials have already been investigated and the resulting lattice constants and gaps were close in values to our theoretical calculations. Additionally, we have computed the elastic parameters, electronic properties as well as the thermoelectric efficiency of the quaternary XX’YZ alloys. They were found to be mechanically stable and have shown different degrees of ductility and stiffness. Besides, they could be very efficient for the thermoelectric field applications, which paves the way for further theoretical and experimental investigations concerning these new Heuslers. Keywords: Heusler alloys, half-metals, elastic constants, thermoelectric properties, density functional theory.