Katkı ve düzensizliğin yarı-metalik ferromanyetik heusler alaşımların manyetik özelliklerine etkisinin teorik incelenmesi
First principles study of effect of doping and disorder on the half metallicity of ferro magnetic heusler alloys
Yazar: KEMAL ÖZDOĞAN
Danışman: PROF. DR. BEKİR AKTAŞ
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yoğunluk fonksiyonu teorisi = Density function theory

Özet:
Heusler tipi alaşımlar 1903 yıldan beri bilinmektedir. Heusler tipi alaşımlar, stokiyometrik kompozisyonu X2YZ ve kristal yapısı L21 tipinde kübik yapı olan üçlü intermetalik bileşiklerdir. X ve Y elementleri periyodik tablonun geçiş metali grubundan iken Z elementleri periyodik tablonun III-V grubunun elementidir. Bu alaşımlar Alman maden mühendisi ve kimyacısı olan Friedrich Heusler tarafından CuMn alaşımına 3. grup element ilave edilmesiyle alaşımı oluşturan elementlerin ferromanyetik özelliklerinin değişebildiğinin tespit edilmesiyle bulunmuştur.1983 yılında de Groot ve meslekdaşları tarafından keşfedilen yarı-metalik ferromagnetler spintronik alanındaki potansiyel uygulamalarından dolayı bilimsel araştırmaların merkezindedir. Bu malzemelerin ana karakteristiği iki spin bandı da farklı davranış göstermesidir. Çoğunluk spin bandı tipik metalik davranış gösterirken azınlık spin bandı yarıiletkendir. Bu yüzden Fermi seviyesinde spin polarizasyonu %100 dür ve spintronik cihazların verimliliğini maksimum yapar.Bu tezde yarı-metalik ferromagnetik Heusler alaşımların manyetik özellikleri üzerinde katkı ve düzensizliğin etkisi çalışılmıştır. Bu tezde spintronikte ileri uygulamalar için yoğun şekilde çalışılan yarı-metalik ferromagnetler arasında olan Co ve Mn içeren Heusler alaşımların elektronik ve manyetik yönüne odaklanılmıştır. Araştırmalar katılar için en başarılı ab-inito teorisi olan yoğunluk fonksiyonel teorisine dayanır. Tam potansiyel ortogonal olmayan minimum baz fonksiyonu yöntemini (FPLO) kullanarak yarı-metalik ferromagnetik Heusler alaşımların elektronik ve manyetik özellikleri üzerinde katkılama ve düzensizliğin etkisi incelenmiştir. İlk olarak Co2MnZ(Z=Si, Ge and Sn) Heusler alaşımlarında Mn' ın yerine Cr ve Fe eklenmesiyle yapılan katkılamanın küçük değerlerinde yarı-metaliklik neredeyse hiç etkilenmez. Benzer bir davranış birde Mn ve sp atomları ile dolu olan alt örgülerin karışımıyla elde edilir. Bu yüzden yarı-metaliklik bu alaşımların güçlü bir özelliğidir.Co2MnAl ve Co2MnGa yarı-metalik Heusler alaşımlarınında katkılama ve düzensizlik durumunu kapsaması için tam Heusler alaşımları üzerindeki çalışma genişletilmiştir. Bu alaşımlar gerçek bir enerji aralığının yerine çok küçük bir azınlık durum yoğunluğu gösterirler. Co2MnGa alaşımının aksine Cr ve Fe katkılı Co2MnAl alaşımının yarı-metalik kaldığını elektronik yapı hesaplamaları ortaya çıkarır. Cr katkıları olağandışı bir davranış gösterir ve Cr katkılarının spin momenti Co2MnZ(Z=Si, Ge, Sn)' nin aksine Cr atomlarının konsantrasyonu ile hemen hemen doğrusal olarak artar. Belirtilen konsantrasyon değerlerinde düzensizlik meydana geldiği zaman hem Co2MnAl hem de Co2MnGa alaşımlarında yarı-metaliklik korunmaz.Son olarak, Al, Ga, Si, Ge yada Sn elementlerinden birisi olan, Z, sp atomu ve Cr, Mn yada Fe olan Y, Y* daha düşük değerlikli geçiş metalleri ile Co2[Y1-xY*x]Z dörtlü bileşimlerini çalışılarak Co2MnZ bileşiklerindeki katkılama ve düzensizlik bu çalışmayla tamamlanmıştır. Bu çalışma, hem Y hemde Z elemanları değiştiği için bu bileşiklerin manyetik ve elektronik özelliklerine evrensel bir bakış açısı verir. Bu sonuçlar gerçeğe uygun uygulamalar için en müsait bileşiğin sp atomunun türüne bakılmaksızın x > 0.5' li Co2[Mn1-xCrx]Z ailelerine ait olanlardan birisi olduğunu ortaya koyar. Çünkü bu alaşımlar büyük yarı-metalik band aralıkları ve Fermi seviyesinde yüksek çoğunluk DOS değerlerini birleştirirler. Bu sonuçların spintronik alanındaki deneysel araştırmalar için kuvvetli bir ilgi uyandırması beklenir.

Abstract:
Heusler type alloys have been known since 1903. Heusler type alloys are ternary intermetallic compounds that are structured as the stoichiometric composition X2YZ ordered in L21 type cubic structure. The X and Y elements come from the transition metal group, whereas the Z component is the element of the III-IV group. Friedrich Heusler, a German mining engineer and chemist, found that additions of 3rd group elements turn CuMn alloy into a ferromagnetic material.Half-metallic ferromagnets, discovered in 1983 by de Groot and collaborators,are at the center of scientific research due to their potential applications in the field of spintronics. The main characteristic of these materials is a different behavior in the two spin bands: while the majority spin band shows a typical metallic behavior, the minority spin band is semiconducting. Thus, the spin polarization at the Fermi level is 100%, maximizing the efficiency of spintronic devices.In this thesis, the effect of doping and disorder on the magnetic properties of half-metallic ferromagnetic Heusler alloys have been studied. The electronic and magnetic aspects of the Heusler alloys containing Co and Mn, which are amongst the most heavily half-metallic ferromagnets for future applications in spintronics, have been focused on this thesis. The investigations are based on the Density Functional Theory (DFT), the most successful ab-initio theory for the solid state materials. The effect of doping and disorder on their electronic and magnetic properties have been studied by using the full-potential non-ortogonal minimum basis band structure scheme (FPLO) . Firstly, small degrees of doping by substituting Fe or Cr for Mn on Co2MnZ(Z=Si, Ge and Sn) Heusler alloys scarcely affect the half metallicity. A similar effect is also achieved by mixing the sub lattices occupied by the Mn and sp atoms. Thus the half metallicity is a robust property of these alloys.This study on the full-Heusler compounds to cover also the case of doping and disorder in the case of Co2MnAl and Co2MnGa half-metallic Heusler alloys has been expanded. These alloys present a region of very small minority density of states instead of a real gap. Electronic structure calculations reveal that doping with Fe and Cr in the case of Co2MnAl retains the half-metallicity contrary to the Co2MnGa compound. Cr impurities present an unusual behavior, and the spin moment of the Cr impurity scales almost linearly with the concentration of Cr atoms, contrary to the Co2MnZ (Z= Si, Ge, Sn). Half-metallicity is no more preserved for both Co2MnAl and Co2MnGa alloys when disorder occurs in the given concentration data.Finally, this study on the doping and disorder in Co2MnZ compounds to cover also the quaternary Co2[Y1-xY*x]Z compounds with the lower-valent transition metals Y, Y* being Cr, Mn, or Fe and the sp atom Z being one of Al, Ga, Si, Ge, and Sn has been complemented. This study gives a global overview of the magnetic and electronic properties of these compounds since both Y and Z elements are varied. This results suggest that for realistic applications the most appropriate compounds are the ones belonging to the families Co2[Mn1-xCrx]Z with x > 0.5 irrespectively of the nature of the sp atoms since they combine high values of majority density of states at the Fermi level due to the presence of Cr, and half-metallicity with large band gaps. These results are expected to stimulate a strong interest in the experimental research in the field of spintronics.