XCuVZ 等原子四元Heusler化合物的磁性与霍尔输运PHYSICA B: CONDENSED MATTER 2026XCuVZ 等原子四元Heusler化合物的磁性与霍尔输运First-Principles Investigation of Magnetic and Hall Transport Phenomena in XCuVZ (X Fe, Co, Ni; Z Al, Sn, Sb)导读 导读通过第一性原理计算系统研究了XCuVZ等原子四元Heusler化合物的结构、磁性和霍尔输运性质。三种原子排列Type I/II/III展现出丰富的磁性基态——铁磁、反铁磁、亚铁磁、半金属和非磁相。CoCuVSbType II接近半金属性Type III FeCuVIn的霍尔电流极化率高达5479%。该工作为通过结构工程定制自旋电子学材料提供了重要指导。一、前言背景Heusler合金自旋电子学的多功能平台• Heusler合金是一类庞大的金属间化合物家族自1903年发现Cu₂MnSn以来已有数千种Heusler相被报道• 功能多样性半金属性、铁磁/亚铁磁性、形状记忆效应、高居里温度、可调拓扑态• 等原子四元HeuslerEQH化合物MXYZ四个晶体学位点各被不同元素占据形成LiMgPdSn型F-43m结构• 三种结构变体Type I、Type II、Type III——原子排列方式深刻影响磁性和输运性质• 半金属材料一个自旋通道金属性另一通道半导体性 → 100%自旋极化传导电子XCuVZ体系磁性、拓扑与霍尔输运的交汇• 研究范围X Fe, Co, Ni3d过渡金属Z In, Sn, Sbsp主族元素• Fe/Co在X位提供强磁矩Ni提供弱自旋极化V常携带负自旋矩促进自旋补偿• Cu的闭壳层电子构型使其磁矩可忽略充当非磁性间隔• 核心目标揭示原子有序和化学取代如何协同调控磁性基态、反常霍尔电导率AHC和自旋霍尔电导率SHC• 应用前景半金属性大AHC/SHC → 自旋注入、磁传感、自旋扭矩器件反常霍尔效应与自旋霍尔效应的物理基础• 内禀AHE自旋-轨道耦合使自旋向上/向下电子获得相反的反常速度 → 铁磁体中净横向自旋极化电流• 内禀SHE非磁体系中相等自旋布居下反常速度产生纯自旋流——无耗散• 霍尔电流极化率P_H可超过100%±∞因为自旋分辨霍尔电流可反向流动• 自旋-电荷转换效率 η |(2e/ħ)I_S/I_C|纯自旋流η1纵向电流η0~1• Wannier插值方法克服直接k点采样的计算瓶颈实现160×160×160密集网格二、研究方法第一性原理计算框架• DFT计算VASPPBE-GGA泛函平面波截断能350 eV• k点采样Γ中心12×12×12 Monkhorst-Pack网格• 收敛判据总能收敛至1.0×10⁻⁶ eV结构优化至Hellmann-Feynman力0.01 eV/Å• 形成能E_f E_tot − (E_bulk_X E_bulk_Cu E_bulk_V E_bulk_Z)• 内聚能E_coh ΣE_atom − E_tot用于评估合金稳定性• AFM态2×2×2超胞4个公式单元X或V原子层内铁磁排列、层间反铁磁排列Wannier插值与霍尔电导率计算• Wannier90包通过Bloch波函数的幺正变换构建最大局域化Wannier函数• 插值优势对能带能量和矩阵元素进行高精度插值不受紧束缚模型有限基组限制• AHCBerry曲率在160×160×160密集k网格上的积分另加5×5×5自适应细化网格• 自旋分解σ_H↑_xy和σ_H↓_xy由SHC和AHC通过线性方程组解出• 注意自旋向上/向下分解仅对轻元素金属严格成立SOC混合自旋翻转分量小形成能定义——评估合金的相对稳定性内禀反常霍尔电导率的Kubo公式——Berry曲率Ω_z(k)在Brillouin区的积分霍尔电流自旋极化率P_H可超过±100%态密度自旋极化率半金属材料P_D±1三、三种结构类型的磁性基态图1 | XCuVZ EQH化合物的三种晶体结构。(a) Type I、(b) Type II、(c) Type III原子排列。X蓝色、Cu棕色、V红色、Z粉色。不同原子排列深刻影响磁性和输运性质。Type I结构FM/AFM共存• Type I中Fe/Co占据X位常稳定AFM或FM基态取决于Z元素• FeCuVInType IAFM基态Fe磁矩2.520 μ_BV负磁矩−1.685 μ_B• CoCuVSbType IFM基态总磁矩2.442 μ_BV贡献1.803 μ_B主导• NiCuVInType I少数NM基态化合物——Ni弱极化0.5 μ_B• 磁化能ΔE E_FM,AFM − E_NM大多数化合物显著偏磁有序态Type II结构半金属性的出现• Type II展示最丰富的磁性行为AFM、FiM、FM、NM、HM• CoCuVSbType II接近半金属整数总磁矩2.000 μ_B自旋向下DOS在费米面处被抑制• 间接自旋向下带隙约0.4 eV——半金属性的标志• FeCuVSnType IIAFM基态Fe和V磁矩几乎完全补偿• CoCuVInType IINM基态——Co和V的磁矩充分淬灭Type III结构弱磁性与FiM稳定性• Type III整体磁化较弱倾向于AFM或FiM稳定性• FeCuVZType IIIAFM基态Fe大正磁矩 V大负磁矩 → 自旋补偿总磁矩接近零• 例如FeCuVSnType III总磁矩仅0.560 μ_BFe2.483 μ_BV−1.697 μ_B• CoCuVZType IIIFiM基态磁矩从CoCuVIn的0.062 μ_B到CoCuVSn的0.118 μ_B• 关键结论原子有序和化学取代可定制FM/FiM/AFM/NM基态图2 | CoCuVSb三种原子有序下的自旋分辨电子能带结构左和态密度右。Type I上正常磁性金属Type II中接近半金属自旋向下带隙~0.4 eVType III下弱流动铁磁性。四、反常霍尔与自旋霍尔效应图4 | Type III FeCuVSb的电子能带结构与Berry曲率。(a) Berry曲率投影到能带上色标−2.0到2.0下方为Ω_z(k)沿高对称路径。(b) 细化色标−0.75到0.75揭示更精细的Berry曲率特征。AHC与SHC的关键发现• CoCuVZ化合物持续展示较高AHC特别是ZSb或Sn时——重p区元素通过更强SOC增强Berry曲率• NiCuVZ化合物AHC显著降低——反映其较小的磁矩和减弱的交换劈裂• Type I FeCuVInAHC−637.48 S/cmSHC−238.46 ℏ/e·S/cm• Type I NiCuVSnAHC−628.99 S/cmSHC262.38 ℏ/e·S/cm• Type III CoCuVSbAHC482.47 S/cm最大正AHC之一• 结构敏感性同组分不同原子排列的AHC差异巨大如FeCuVInType I −637 vs Type III −8.7 S/cm霍尔电流自旋极化率极端值• Type II CoCuVSb半金属P_H−99.4%η0.99 → 几乎纯自旋霍尔电流• Type III FeCuVInP_H5479.1%η54.79 → 巨大的霍尔电流极化率• Type I CoCuVInP_H1500.1%η15.00• 含In化合物普遍展示极大P_H值500%与费米面附近特殊电子结构有关• Co基化合物中η常略大于1 → 霍尔电荷电流可作为高效自旋电流源Berry曲率分布的结构敏感性• Type I FeCuVInBerry曲率由大且同号贡献主导 → 建设性叠加 → 大AHC• Type III FeCuVIn正负Berry曲率交替出现、量级相当 → 强烈抵消 → AHC被抑制• 根源SOC诱导d_xz/d_yz或d_xy/d_x²−y²轨道混合 → 费米面位于t_2g流形中时最大化AHE/SHE• 晶格对称性破缺和轨道杂化显著重塑Berry曲率轮廓 → 结构工程控制反常输运SHC与AHC的线性关系——自旋分辨霍尔电导率σ_H↑_xy和σ_H↓_xy由SHC和AHC解出图5 | XCuVZ Heusler合金的声子谱。(a) Type I NiCuVSb、(b) Type III FeCuVIn、(c) Type III FeCuVSn。无虚频模式证实动力学稳定性。五、稳定性与实验可行性力学与动力学稳定性分析• 力学稳定性判据C₁₁C₁₂仅Type I CoCuVSn/CoCuVSb/NiCuVSn/NiCuVSb等满足• DFPT声子谱Type I NiCuVSb、Type III FeCuVIn、FeCuVSn无虚频 → 动力学稳定• 立方结构的不稳定性在NiCoMnZ体系中也曾报道——外部稳定机制应变工程、化学取代、外延生长可能必要• 与高熵合金的类比多元素增加构型无序 → 拓宽功能设计空间但增加结构不稳定风险• 理论预测的磁性和输运性质应理解为理想化结构的内禀趋势六、总结核心发现(1) XCuVZ EQH化合物的磁性和输运性质对原子有序和化学取代高度敏感(2) Type II CoCuVSb展现近半金属性整数磁矩2.000 μ_B自旋向下带隙~0.4 eV→ 自旋电子学理想候选(3) CoCuVZ系列持续展示较高AHC重Z元素Sb、Sn通过增强SOC放大Berry曲率效应(4) 霍尔电流自旋极化率P_H可达极端值Type III FeCuVIn的5479%Type II CoCuVSb的−99.4%(5) Berry曲率轮廓对结构高度敏感Type I建设性叠加 → 大AHCType III正负抵消 → AHC被抑制(6) 结构工程和化学取代为定制FM/FiM/AFM基态和自旋极化输运提供了多功能平台参考文献[1] Tung JC, Lee CH, Lee CH, Liu PL. Physica B 727, 418349 (2026) — 本工作[2] Graf T, Felser C, Parkin SSP. Prog. Solid State Chem. 39, 1 (2011) — Heusler综述[3] Bainsla L, Suresh KG. Appl. Phys. Rev. 3, 031101 (2016) — EQH综述[4] Tung JC, Guo GY. New J. Phys. 15, 033014 (2013) — Co₂XZ AHC/SHC[5] Wang X, Yates JR, Souza I, Vanderbilt D. Phys. Rev. B 74, 195118 (2006) — Wannier插值J.-C. Tung, C.-H. Lee, C.-H. Lee, P.-L. Liu | Physica B 727, 418349 (2026) | Heusler合金 · 自旋霍尔效应 · 反常霍尔效应 · 半金属 XCuVZ 等原子四元Heusler化合物的磁性与霍尔输运
XCuVZ 等原子四元Heusler化合物的磁性与霍尔输运PHYSICA B: CONDENSED MATTER 2026XCuVZ 等原子四元Heusler化合物的磁性与霍尔输运First-Principles Investigation of Magnetic and Hall Transport Phenomena in XCuVZ (X Fe, Co, Ni; Z Al, Sn, Sb)导读 导读通过第一性原理计算系统研究了XCuVZ等原子四元Heusler化合物的结构、磁性和霍尔输运性质。三种原子排列Type I/II/III展现出丰富的磁性基态——铁磁、反铁磁、亚铁磁、半金属和非磁相。CoCuVSbType II接近半金属性Type III FeCuVIn的霍尔电流极化率高达5479%。该工作为通过结构工程定制自旋电子学材料提供了重要指导。一、前言背景Heusler合金自旋电子学的多功能平台• Heusler合金是一类庞大的金属间化合物家族自1903年发现Cu₂MnSn以来已有数千种Heusler相被报道• 功能多样性半金属性、铁磁/亚铁磁性、形状记忆效应、高居里温度、可调拓扑态• 等原子四元HeuslerEQH化合物MXYZ四个晶体学位点各被不同元素占据形成LiMgPdSn型F-43m结构• 三种结构变体Type I、Type II、Type III——原子排列方式深刻影响磁性和输运性质• 半金属材料一个自旋通道金属性另一通道半导体性 → 100%自旋极化传导电子XCuVZ体系磁性、拓扑与霍尔输运的交汇• 研究范围X Fe, Co, Ni3d过渡金属Z In, Sn, Sbsp主族元素• Fe/Co在X位提供强磁矩Ni提供弱自旋极化V常携带负自旋矩促进自旋补偿• Cu的闭壳层电子构型使其磁矩可忽略充当非磁性间隔• 核心目标揭示原子有序和化学取代如何协同调控磁性基态、反常霍尔电导率AHC和自旋霍尔电导率SHC• 应用前景半金属性大AHC/SHC → 自旋注入、磁传感、自旋扭矩器件反常霍尔效应与自旋霍尔效应的物理基础• 内禀AHE自旋-轨道耦合使自旋向上/向下电子获得相反的反常速度 → 铁磁体中净横向自旋极化电流• 内禀SHE非磁体系中相等自旋布居下反常速度产生纯自旋流——无耗散• 霍尔电流极化率P_H可超过100%±∞因为自旋分辨霍尔电流可反向流动• 自旋-电荷转换效率 η |(2e/ħ)I_S/I_C|纯自旋流η1纵向电流η0~1• Wannier插值方法克服直接k点采样的计算瓶颈实现160×160×160密集网格二、研究方法第一性原理计算框架• DFT计算VASPPBE-GGA泛函平面波截断能350 eV• k点采样Γ中心12×12×12 Monkhorst-Pack网格• 收敛判据总能收敛至1.0×10⁻⁶ eV结构优化至Hellmann-Feynman力0.01 eV/Å• 形成能E_f E_tot − (E_bulk_X E_bulk_Cu E_bulk_V E_bulk_Z)• 内聚能E_coh ΣE_atom − E_tot用于评估合金稳定性• AFM态2×2×2超胞4个公式单元X或V原子层内铁磁排列、层间反铁磁排列Wannier插值与霍尔电导率计算• Wannier90包通过Bloch波函数的幺正变换构建最大局域化Wannier函数• 插值优势对能带能量和矩阵元素进行高精度插值不受紧束缚模型有限基组限制• AHCBerry曲率在160×160×160密集k网格上的积分另加5×5×5自适应细化网格• 自旋分解σ_H↑_xy和σ_H↓_xy由SHC和AHC通过线性方程组解出• 注意自旋向上/向下分解仅对轻元素金属严格成立SOC混合自旋翻转分量小形成能定义——评估合金的相对稳定性内禀反常霍尔电导率的Kubo公式——Berry曲率Ω_z(k)在Brillouin区的积分霍尔电流自旋极化率P_H可超过±100%态密度自旋极化率半金属材料P_D±1三、三种结构类型的磁性基态图1 | XCuVZ EQH化合物的三种晶体结构。(a) Type I、(b) Type II、(c) Type III原子排列。X蓝色、Cu棕色、V红色、Z粉色。不同原子排列深刻影响磁性和输运性质。Type I结构FM/AFM共存• Type I中Fe/Co占据X位常稳定AFM或FM基态取决于Z元素• FeCuVInType IAFM基态Fe磁矩2.520 μ_BV负磁矩−1.685 μ_B• CoCuVSbType IFM基态总磁矩2.442 μ_BV贡献1.803 μ_B主导• NiCuVInType I少数NM基态化合物——Ni弱极化0.5 μ_B• 磁化能ΔE E_FM,AFM − E_NM大多数化合物显著偏磁有序态Type II结构半金属性的出现• Type II展示最丰富的磁性行为AFM、FiM、FM、NM、HM• CoCuVSbType II接近半金属整数总磁矩2.000 μ_B自旋向下DOS在费米面处被抑制• 间接自旋向下带隙约0.4 eV——半金属性的标志• FeCuVSnType IIAFM基态Fe和V磁矩几乎完全补偿• CoCuVInType IINM基态——Co和V的磁矩充分淬灭Type III结构弱磁性与FiM稳定性• Type III整体磁化较弱倾向于AFM或FiM稳定性• FeCuVZType IIIAFM基态Fe大正磁矩 V大负磁矩 → 自旋补偿总磁矩接近零• 例如FeCuVSnType III总磁矩仅0.560 μ_BFe2.483 μ_BV−1.697 μ_B• CoCuVZType IIIFiM基态磁矩从CoCuVIn的0.062 μ_B到CoCuVSn的0.118 μ_B• 关键结论原子有序和化学取代可定制FM/FiM/AFM/NM基态图2 | CoCuVSb三种原子有序下的自旋分辨电子能带结构左和态密度右。Type I上正常磁性金属Type II中接近半金属自旋向下带隙~0.4 eVType III下弱流动铁磁性。四、反常霍尔与自旋霍尔效应图4 | Type III FeCuVSb的电子能带结构与Berry曲率。(a) Berry曲率投影到能带上色标−2.0到2.0下方为Ω_z(k)沿高对称路径。(b) 细化色标−0.75到0.75揭示更精细的Berry曲率特征。AHC与SHC的关键发现• CoCuVZ化合物持续展示较高AHC特别是ZSb或Sn时——重p区元素通过更强SOC增强Berry曲率• NiCuVZ化合物AHC显著降低——反映其较小的磁矩和减弱的交换劈裂• Type I FeCuVInAHC−637.48 S/cmSHC−238.46 ℏ/e·S/cm• Type I NiCuVSnAHC−628.99 S/cmSHC262.38 ℏ/e·S/cm• Type III CoCuVSbAHC482.47 S/cm最大正AHC之一• 结构敏感性同组分不同原子排列的AHC差异巨大如FeCuVInType I −637 vs Type III −8.7 S/cm霍尔电流自旋极化率极端值• Type II CoCuVSb半金属P_H−99.4%η0.99 → 几乎纯自旋霍尔电流• Type III FeCuVInP_H5479.1%η54.79 → 巨大的霍尔电流极化率• Type I CoCuVInP_H1500.1%η15.00• 含In化合物普遍展示极大P_H值500%与费米面附近特殊电子结构有关• Co基化合物中η常略大于1 → 霍尔电荷电流可作为高效自旋电流源Berry曲率分布的结构敏感性• Type I FeCuVInBerry曲率由大且同号贡献主导 → 建设性叠加 → 大AHC• Type III FeCuVIn正负Berry曲率交替出现、量级相当 → 强烈抵消 → AHC被抑制• 根源SOC诱导d_xz/d_yz或d_xy/d_x²−y²轨道混合 → 费米面位于t_2g流形中时最大化AHE/SHE• 晶格对称性破缺和轨道杂化显著重塑Berry曲率轮廓 → 结构工程控制反常输运SHC与AHC的线性关系——自旋分辨霍尔电导率σ_H↑_xy和σ_H↓_xy由SHC和AHC解出图5 | XCuVZ Heusler合金的声子谱。(a) Type I NiCuVSb、(b) Type III FeCuVIn、(c) Type III FeCuVSn。无虚频模式证实动力学稳定性。五、稳定性与实验可行性力学与动力学稳定性分析• 力学稳定性判据C₁₁C₁₂仅Type I CoCuVSn/CoCuVSb/NiCuVSn/NiCuVSb等满足• DFPT声子谱Type I NiCuVSb、Type III FeCuVIn、FeCuVSn无虚频 → 动力学稳定• 立方结构的不稳定性在NiCoMnZ体系中也曾报道——外部稳定机制应变工程、化学取代、外延生长可能必要• 与高熵合金的类比多元素增加构型无序 → 拓宽功能设计空间但增加结构不稳定风险• 理论预测的磁性和输运性质应理解为理想化结构的内禀趋势六、总结核心发现(1) XCuVZ EQH化合物的磁性和输运性质对原子有序和化学取代高度敏感(2) Type II CoCuVSb展现近半金属性整数磁矩2.000 μ_B自旋向下带隙~0.4 eV→ 自旋电子学理想候选(3) CoCuVZ系列持续展示较高AHC重Z元素Sb、Sn通过增强SOC放大Berry曲率效应(4) 霍尔电流自旋极化率P_H可达极端值Type III FeCuVIn的5479%Type II CoCuVSb的−99.4%(5) Berry曲率轮廓对结构高度敏感Type I建设性叠加 → 大AHCType III正负抵消 → AHC被抑制(6) 结构工程和化学取代为定制FM/FiM/AFM基态和自旋极化输运提供了多功能平台参考文献[1] Tung JC, Lee CH, Lee CH, Liu PL. Physica B 727, 418349 (2026) — 本工作[2] Graf T, Felser C, Parkin SSP. Prog. Solid State Chem. 39, 1 (2011) — Heusler综述[3] Bainsla L, Suresh KG. Appl. Phys. Rev. 3, 031101 (2016) — EQH综述[4] Tung JC, Guo GY. New J. Phys. 15, 033014 (2013) — Co₂XZ AHC/SHC[5] Wang X, Yates JR, Souza I, Vanderbilt D. Phys. Rev. B 74, 195118 (2006) — Wannier插值J.-C. Tung, C.-H. Lee, C.-H. Lee, P.-L. Liu | Physica B 727, 418349 (2026) | Heusler合金 · 自旋霍尔效应 · 反常霍尔效应 · 半金属