Heusler合金半金属性及热电输运特性的理论研究

The half-metallicity and thermoelectricity are two important properties of Heusler alloys, and they have significant prospect of applications for spintronic device and thermoelectric device, respectively. The two physical properties have close relationship between each other because the thermoelectricity of half-metals is determined by the transport properties of two spin states. However, so far the physical issues such as the mechanism of half-metallicity, the semiconducting ground state of thermoelectric alloys and the correlation between half-metallicity and thermoelectricity have not been investigated throughly. In this project, our research focus on: (1) theoretically exploring the low-valence transition-metal Cr, Ti and V etc.-based Heusler half-metals; (2) investigating the origin of half-metallicity, stability and thermodynamic properties of half-metals；(3) theoretically exploring Heusler thermoelectric materials and investigating deeply their thermoelectric transport properties. Based on the research, we will theoretically predict a series of low-valence transition-metal-based Heusler half-metals and Heusler alloys with good thermoelectricity, and propose the uniform physical picture of half-metallic origin, and obtain the stability rule of half-metallicity, and reveal the correlation between thermodynamic properties and microscopic atomic and electronic properties, and reveal the correlation between thermoelectricity and thermoelectric transport properties of single spin state for Heusler half-metals, providing theoretical support for experimental works.

Heusler合金具有半金属性和热电特性两个重要物性，分别在自旋电子器件和热电器件上有重要应用价值，由于半金属的热电特性由两个自旋态的输运性质决定，因此两物性之间有紧密联系。但目前半金属的形成机制、热电合金的半导体基态以及半金属性与热电特性之间的关联等物理问题的研究尚不充分。本项目中我们将研究：（1）理论探索低价过渡金属Cr、Ti和V基等Heusler半金属；（2）研究Heusler半金属的半金属性来源、稳定性和热力学特性；（3）理论探索Heusler合金热电材料并深入研究其热电输运特性。通过研究，理论预测出一系列低价过渡金属基Heusler半金属和具有良好热电性能的Heusler合金，提出Heusler半金属来源的统一物理图像，获得半金属的稳定性规律，揭示热力学特性与微观原子和电子特性之间的关联，揭示Heusler半金属的热电特性与单个自旋态的输运特性之间的关联，为实验工作提供理论依据。

本项目主要应用第一性原理计算结合理论模型研究Heusler合金的电子结构、磁特性和热电输运特性，如果其能带结构出现自旋极化，一个自旋带为金属，另一个自旋带为半导体，即为半金属性，在将来的自旋电子器件上具有应用价值。另一方面，如果其能带具有窄带隙半导体特征，则其热电性能比较好，在热电器件上具有应用价值。我们拟通过对Heusler合金进行理论筛选，获得具有半金属性或者热电性能优异的材料，揭示其半金属性、晶格和电子输运特性等物理机理。经过四年的项目研究，我们理论上预测了一系列半金属材料，如Co2FeAl1 –xSix(x=0.25, 0.5, 0.75) 和Ti0.75HfMo0.25CrGe，并研究了其半金属性的来源及与原子轨道杂化的关系。通过18个价电子规则理论设计了一系列窄带隙半导体Heusler合金，如Ti2CrX(X=Ge, Sn)、Sc2FeX(X=Si, Ge)、Ti2Cr1-x/4Mox/4Ge (x=1, 2)和Ti0.5Zr0.5NiSn，并利用第一性原理结合弛豫时间近似的玻尔兹曼输运方程计算了其热电性质，预测的热电优值较高，具有应用价值。且通过随机建模（原子在两个子晶格随机占位）的方法计算了其热电特性，与有序占位构型的结果进行了对比，发现热电优值显著提高，且更接近实验值。此外，我们在项目资助下，对过渡金属硫属化合物（TMDs）的能谷特性进行了研究，利用第一性原理结合kp微绕模型研究了磁近邻效应对能谷极化的影响，以及贝里曲率和能谷霍尔效应，提出了一种MoS2/CoO能谷自旋阀器件结构，预测了谷劈裂较大的异质结WSe2/FeCl2和WSe2/NiCl2。搭建了TMDs与半导体Heusler合金的异质结MoS2/LiBeN，研究了half-Heusler合金LiBeN的磁近邻效应对MoS2的能谷极化产生的影响，发现即使是界面处很小的磁性也会引起单层MoS2较大的能谷劈裂。本项目研究的结果给下一步Heusler合金自旋电子材料及热电材料的开发和应用提供了理论基础，会大大缩短实验过程，具有较好的应用前景。