Estudos ab initio de propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas das ligas half – Heusler Mn2Z (Z = Si, Sn, Ge e Pb)

Abstract

Este trabalho apresenta os resultados teóricos das propriedades estruturais, eletrônicas e mangéticas de ligas half-Heusler Mn2Z (Z = Si, Ge, Sn e Pb) cúbicas C1b (F4̅ 3m), para aplicação em dispositivos spintrônicos. Baseado na Teoria do Funcional da Densidade nas aproximações GGA-PBE e HSE06 para o termo de troca e correlação, quatro tipos diferentes de estruturas foram estudadas, considerando trocas de sítio entre os átomos constituintes de cada composto. Verificou-se que a estrutura mais estável está em acordo com as regras de Slater-Pauling (rSP) e Kübler (rK), onde o momento magnético total de cada célula cristalina é zero e os átomos de manganês apresentam configuração de alto spin (~4 μB) e estado de oxidação Mn4+. Além disso, todos as ligas na estrutura mais estável mostraram natureza Half-metallic fully compensated ferrimagnet (HF-FCF). Por outro lado, observou-se uma importante correlação entre a natureza magnética e o comportamento eletrônico dessas ligas, ou seja, quando nas configurações ferromagnética (FM), antiferromagnética (AFM) ou diamagnética (DM), todos os compostos apresentaram comportamento condutor. Ademais, confirmou-se que o funcional HSE06 é mais preciso na descrição dos níveis p e d dos átomos constituintes das ligas, quando comparado com o cálculo GGA-PBE padrão. Por fim, esse trabalho mostrou que os compostos estudados mostraram ser promissores para aplicação em dispositivos spintrônicos e sugere a realização de estudos experimentais a fim de confirmar as previsões teóricas apresentadas. Descritores: Ligas de Heusler. HM-FCF. Spintrônica. Regra de Slater–Pauling. Regra de Kübler. ab initio. DFT.This work presents the theoretical results of the structural, electronic and magnetic properties of cubic C1b (F4̅ 3m) half-Heusler alloys Mn2Z (Z = Si, Ge, Sn and Pb), for application in spintronic devices. Based on the Density Functional Theory in the GGA-PBE and HSE06 approximations for the exchange term and independently, four different types of structures were studied, considering the switch of sites between the constituent atoms of each compound. It was found that the most stable structure is in accordance with the Slater-Pauling (rSP) and Kübler (rK) rules, where the total magnetic moment of each crystalline cell is zero and the manganese atoms present a high spin configuration (~ 4 μB) and oxidation state Mn4+. Furthermore, all alloys in the most stable structure presented the Half-metallic fully compensated ferrimagnet (HF-FCF) nature. On the other hand, an important correlation was observed between the magnetic nature and the electronic behavior of these alloys, that is, when in ferromagnetic (FM), antiferromagnetic (AFM) or diamagnetic (DM) configurations, all compounds presented a conductor characteristic. Additionally, it was confirmed that the HSE06 functional is more accurate in describing the p and d levels of the constituent atoms of the alloys, when compared with the standard GGA-PBE calculation. Finally, this work showed that the studied compounds are promising for application in spintronic devices and suggests that experimental studies should be performed in order to confirm the theoretical predictions presented. Keywords: Heusler Alloys. HM-FCF (Half-metallic fully compensated ferrimagnet). Spintronics. Slater–Pauling rule. Kübler rule. ab initio. DFT (Density Functional Theory).