Authors:	Wurmehl, Sabine
Title:	Spin polarised Heusler compounds
Online publication date:	9-Aug-2006
Year of first publication:	2006
Language:	english
Abstract:	In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt. In this work a simple concept was used for the systematic search for new materials with high spin polarisation. This concept is based on two semi-empirical models. Firstly, the Slater-Pauling rule was used to estimate the magnetic moment. This model is well supported by electronic structure calculations. The second model was found particularly for Co2YZ Heusler compounds when comparing their magnetic properties. It turned out that these compounds seemingly exhibit a linear dependence of the Curie temperature as a function of the magnetic moment. Stimulated by these models, Co2FeSi was revisited. The compound was investigated in detail concerning its geometrical and magnetic structure by means of X-ray diffraction, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), X-ray absorption- and Mößbauer spectroscopy as well as high and low temperature magnetometry, X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and difference scanning calometry. The measurements revealed, that it is currently the material with the highest magnetic moment (6 B) and Curie-temperature (1100 K) in the classes of Heusler compounds as well as half-metallic ferromagnets. The experimental findings are supported by detailed electronic structure calculations. The same concepts were used to predict the properties of the Heusler compounds Co2Cr1-xFexAl. The electronic structure and spectroscopic properties were calculated using the full relativistic Korringa-Kohn-Rostocker method with coherent potential approximation to account for the random distribution of Cr and Fe atoms as well as random disorder. Magnetic effects are included by the use of spin dependent potentials in the local spin density approximation. The structural and chemical properties of the quaternary Heusler compounds Co2Cr1-xFexAl were investigated comparing powder and bulk samples. The long range order was determined by means of X-ray diffraction and neutron diffraction, while the site specific (short range) order was proved by EXAFS. The magneto-structural properties were measured with 57Fe-Mößbauer spectroscopy in order to compare powder and bulk properties. The chemical composition was analysed by means of X-ray photoemission spectroscopy (XPS). The results from these methods are compared to get an insight in the differences between surface and bulk properties and the appearance of disorder in such alloys. In addition, XMCD was measured at the L3,2 edges of Co, Fe, and Cr in order to determine element specific magnetic moments. Calculations and measurements show an increase of the magnetic moments with increasing iron content. Resonant (560 eV – 800 eV) soft X-ray as well as high resolution - high energy (3.5 keV) hard X-ray photoemission was used to probe the density of the occupied states in Co2Cr0.6Fe0.4Al. In addition, this work presents a further Heusler compound. Co2CrIn is L21 ordered. The geometrical properties were obtained from the XRD. The magnetic properties of Co2CrIn were measured by means of SQUID magnetometry. The material turns out to be a soft magnet with a saturation moment of 1.2B at 5 K. In contrast to Co2YZ Heusler compounds as mentioned above, Co2CrIn is no half-metallic ferromagnet. In the last part of this work, a rule for predicting half-metallic compensated-ferrimagnets in the class of Heusler compounds will be described. This concept results from combining the well known Slater-Pauling rule with the Kübler rule. The Kübler rule states, that Mn on the Y position in Heusler compounds tends to a high localised magnetic moment. When strictly following this new rule, some candidates in the class of Heusler compounds are expected to be completely compensated-ferrimagnetic but with a spin polarisation of 100% at the Fermi energy. This rule is applied to three examples within the class of Heusler compounds. All discussion of the materials is confirmed by electronic structure calculations.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3569
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-10765
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
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