关于原始状态及共掺杂FeCrTiAl材料的结构和磁性质的新见解，为自旋电子学应用提供了重要依据

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Novel insights on the structural and magnetic properties in the pristine and co substituted FeCrTiAl for spintronic applications

铁铬钛铝（FeCrTiAl）及其钴替代衍生物的晶体结构、磁性能与M?ssbauer谱学研究。发现FeCrTiAl以Heusler相为主并伴随富钛莱氏相，钴替代25%钛位点形成FeCrCo0.75Ti0.25Al后保持有序Heusler结构并呈现亚铁磁有序。M?ssbauer谱学证实Fe原子局域磁环境变化。研究成果对自旋间隙半导体材料设计及自旋电子器件应用具有指导意义。

　　

Ravi Kumar Yadav | R. Govindaraj

材料科学组，英迪拉·甘地原子研究中心，卡尔帕卡姆 603102，泰米尔纳德邦，印度

摘要

本研究提出了关于一种重要的金属间化合物FeCrTiAl的结构和磁性质的新见解，该化合物理论上被认为是一种无自旋能隙的半导体。通过体相结构、磁化强度和穆斯堡尔光谱研究的结果表明，FeCrTiAl具有顺磁性质，并主要以Heusler相的形式存在，同时还存在富Ti的Laves相。本研究还探讨了用钴替代Ti位点对化合物的影响，发现形成了FeCrCo_0.75Ti_0.25Al，这种化合物存在于完全稳定的Heusler相中并表现出铁磁有序。基于详细的穆斯堡尔光谱研究，还阐明了反位缺陷在新的Heusler化合物FeCrCo_0.75TiAl中增强铁磁交换作用的作用。这些结果可能有助于利用FeCrCo_0.75TiAl与适当的半导体/绝缘氧化物结合，用于制造各种自旋电子器件。

引言

Heusler合金是一类特殊的金属间化合物，具有广泛的电子和磁性质[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，因此被应用于热电器件[6]，[7]，[8]，磁热效应[9]，[10]，形状记忆能力[12]以及自旋电子器件[14]等领域。大量研究表明，这类化合物具有半金属铁磁性（HMF），即在费米能级E_F处，一个自旋方向的电子表现为金属特性，而另一个自旋方向的电子表现为半导体特性（如图1(a)所示的能带图所示）。另一类材料被称为无自旋能隙半导体（SGS），其自旋态密度图（参见图1(b)）显示两个自旋通道都呈现半导体特性，其中一个自旋通道具有较高的带隙，而另一个自旋通道在费米能级处带隙为零。因此，在HMF中，主要的载流子是自旋极化的电子；而在SGS中，载流子是自旋极化的电子和空穴[2]，[4]。

因此，探索具有SGS特性的材料对于自旋电子应用来说仍然是一个非常重要的研究课题。对于Heusler合金而言，通常具有最高自旋极化的晶体结构最为理想。其中，表现出半金属铁磁性的材料[1]，[15]，[16]，[17]以及SGS行为的材料[18]，[19]特别适用于下一代自旋电子器件[20]，[21]，[22]，[23]。具有HMF或SGS特性的Heusler化合物在自旋电子器件中有着广泛的应用，包括隧穿磁阻（TMR）传感器、自旋阀、高密度磁存储器和基于自旋的晶体管[31]。然而，这些材料的自旋极化程度对其内部结构有序性非常敏感[32]，[33]，[34]，[35]，[36]。

具有潜在自旋电子应用潜力的全Heusler三元金属间化合物通常遵循X₂YZ的化学计量比，其中X和Y是过渡元素，Z是主族元素。这些化合物最常见的晶体结构是高度有序的L2₁结构。此外，许多等原子量的四元Heusler化合物（如XX'YZ）也被研究其SGS行为和自旋电子应用的可能性[18]，[22]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]。这类化合物通常是通过用另一种过渡元素X'替换X₂YZ中的一个X元素来实现的，使得整个化学计量比变为1:1:1:1[29]，[30]。由于添加了新的过渡元素X'，化合物的晶体结构从L2₁有序结构转变为新的LiMgPdSn结构（空间群编号216，F-43m）。在这种结构中，Z原子位于4a（0,0,0）Wyckoff位置，其余三个元素——两个X原子（X和X'）和一个Y原子分别分布在三个不同的fcc子晶格中，具体位于4b（1/2,1/2,1/2）、4c（1/4,1/4,1/4）和4d（3/4,3/4,3/4）Wyckoff位置。无论单元格发生何种平移运动，晶体结构都不会改变。通过单位格内的分数平移（如（1/4,1/4,1/4）、（1/2,1/2,1/2）或（3/4,3/4,3/4），虽然原子位置会发生变化，但整体结构保持不变。

理论上预测FeCrTiAl是一种无自旋能隙的半导体，具有最有序的Y结构（参见图1c），每个化学计量单位的总磁矩为3μ_B，这是根据Slater-Pauling规则确定的。与HMF相比，SGS的半导体特性使其电子结构对原子无序和外部因素（如温度、压力和磁场）非常敏感。因此，Lukashev等人[37]利用密度泛函理论（DFT）研究了FeCrTiAl在压力作用下的能带结构转变，发现其从半金属态转变为无自旋能隙半导体（SGS）态。

本研究首次详细探讨了理论上预测具有最有序（Y）结构的FeCrTiAl的结构和磁性质。此外，本研究还研究了用钴替代FeCrTiAl中Ti位点的影响，从而获得了关于其结构和磁性质的新见解。重要的是，这项工作还利用⁵⁷Fe基穆斯堡尔光谱技术提供了关于原始FeCrTiAl和掺钴FeCrTiAl中Fe原子周围局部结构和磁性质的见解。

实验细节

实验方法

FeCrCo_(x)Ti_(1-x)Al化合物（其中x=0、0.25、0.50、0.75和1）是通过在高纯度氩气环境中，按照适当的化学计量比熔炼Fe、Cr、Co、Ti和Al（所有材料均由Alpha Aesar公司提供，纯度至少为99.99%）制备的。在熔炼过程中，熔融块被多次翻转和重新熔化以确保化学均匀性。使用X射线衍射（XRD）对样品进行了体相结构研究，以确定其相组成。

结果与讨论

本节主要分为四部分，讨论了原始FeCrTiAl和掺钴FeCrTiAl的体相结构和磁性质。随后将讨论利用穆斯堡尔光谱获得的原始FeCrTiAl和掺钴FeCrTiAl的局部结构和磁性质结果。

I) 原始FeCrTiAl的体相结构和磁性质。

使用Cu-Kα射线获得的FeCrTiAl的XRD图谱如图2所示

结论

研究结果表明，FeCrTiAl主要以Heusler相的形式存在，其中含有大量的空位，并同时存在富Ti的Laves相（Fe,Cr）₂Ti。当Ti位点被75%的钴替代后，形成了稳定的FeCrCo_0.75Ti_0.25Al相，这些相富含Ti和Co，并表现出铁磁有序。在FeCrCo_0.75Ti_0.25Al中获得的穆斯堡尔光谱结果显示，相当一部分Fe原子

CRediT作者贡献声明

Ravi Kumar Yadav： 负责撰写初稿、验证和实验研究。

R. Govindaraj： 负责审稿和编辑、方法论制定、实验验证以及概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。