Effects of disorder in the Heusler alloy Co2MnSi and properties of the Co2MnSi(100)/MgO interface

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Heusler-Legierung Co2MnSi, ein ferromagnetisches Halbmetall. Der experimentelle Nachweis der theoretisch vorhergesagten Bandlücke im Minoritätsspinkanal steht fü dieses Material noch aus. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass strukturelle Unordnung einen kritischen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Halbmetallen hat. Es können defektinduzierte Bänder an der Fermi-Energie auftreten, die die Spinpolarisation reduzieren. Weiterhin können in Heterostrukturen Grenzflächenzustände vorkommen und die Spinpolarisation des Tunnel- oder Injektionsstroms (dramatisch) verringern. Beide Punkte sind Gegenstand dieser Arbeit und werden mit Rechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss atomarer Defekte auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Co2MnSi. Die Untersuchung von Antisites, Antistrukturdefekten und Leerstellen zeigt, dass insbesondere Co Atome auf Mn oder Si Plätzen und Mn Atome auf Co Plätzen zu drastischen Abweichungen von den Eigenschaften der idealen Verbindung führen. Co Defektzustände in der Bandlücke stellen eine ernste Gefahr für die Halbmetallizität dar. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird im zweiten Teil Co_{2−x}Mn_{1+x}Si (−1 < x < 2) als pseudo-binäre Legierung betrachtet und nur noch die Co–Mn Wechselwirkung berücksichtigt. Es werden zwei verschiedene Cluster-Entwicklungen (eine für die Bildungsenergie ECE und eine für das Gesamtspinmoment MCE), die mit ab initio Daten parametrisiert werden, aufgestellt. Mit der ECE werden mehrere neue Grundzustände vorhergesagt, von denen einer (Co2Mn4Si2) sogar eine Bandlücke aufweist. Die bekannte Slater-Pauling-Regel für stöchiometrische Heusler-Legierungen kann auf nicht stöchiometrische Mn-reiche Strukturen erweitert werden. Mit dieser neuen Slater-Pauling-Regel und der MCE wird ein großer Bereich potenziell halbmetallischer Mn-reicher Kompositionen identifiziert. Monte-Carlo-Simulationen mit dem ECE Hamiltonian zeigen, dass Co2MnSi mit idealer oder sehr leicht abweichender (±2%) Stöchiometrie für Temperaturen bis 1000 K nahezu perfekt geordnet ist. Die Mn-reichen Strukturen sind thermisch nicht stabil, sondern zerfallen bei Raumtemperatur in Co2MnSi und Mn3Si. Im dritten Teil der Arbeit werden strukturelle, magnetische und elektronische Eigenschaften der Co2MnSi(100)/MgO Grenzfläche untersucht. Die Stabilität verschiedener Terminierungen (CoCo, MnSi, MnMn und SiSi) auf verschiedenen Positionen zu MgO (O-top, Mg-top, Br¨ucke und Mulde) wird mit der Methode der ab initio Thermodynamik abgeschätzt. Im thermodynamischen Gleichgewicht sind die CoCo/O und die MnSi/O Heterostrukturen stabil. Sie zeigen allerdings Grenzflächenzust¨ande an der Fermi-Energie im Spin-down-Kanal und demzufolge eine reduzierte Spinpolarisation. Die metastabile MnMn-terminierte Grenzfläche hat eine Bandlücke.This work focuses on the Heusler alloy Co2MnSi, a ferromagnetic half-metal. The experimental verification of the theoretically predicted band gap in the minority spin channel is still lacking. Previous studies have shown that structural disorder has a crucial impact on the electronic properties of half-metals. Defect-induced states may appear at the Fermi energy in the spin-down-band and decrease the spin polarization. Furthermore, heterostructures may show interface states reducing (dramatically) the spin polarization of tunneling or injection currents. Both aspects are investigated with calculations in the framework of density functional theory. The first part of this work adresses the influence of atomic defects on the electronic and magnetic properties of Co2MnSi. Investigations of antisites, antistructure pairs and vacancies show that especially Co atoms at Mn or Si sites and Mn atoms at Co sites lead to dramatic deviations from the properties of the ideal compound. Co based defect states are a serious threat for the half-metallicity. Based on these results in the second part Co_{2−x}Mn_{1+x}Si (−1 < x < 2) is regarded as a pseudo-binary alloy where only the Co–Mn interactions are taken into account. Two separate cluster expansions (one for the formation energy ECE and one for the total spin moment MCE) that are parametrized with ab initio data are established. With the ECE several new ground states are predicted, with one of them (Co2Mn4Si2) also having a band gap. The well-known Slater-Pauling rule for stochiometric Heusler alloys can be expanded to non-stochiometric Mn-rich compositions. With this new Slater-Pauling rule and the MCE a large region of potentially half-metallic Mn-rich compositions is identified. Monte Carlo simulations show that Co2MnSi with ideal or slighly deviating (±2%) stochiometry is nearly perfectly ordered. The Mn-rich structures are not thermally stable but decompose into Co2MnSi and Mn3Si at room temperature. In the third part of this work structural, magnetic and electronic properties of the Co2MnSi(100)/MgO interface are investigated. The stability of different terminations (CoCo, MnSi, MnMn and SiSi) at different registries with respect to MgO (O-top, Mgtop, bridge and hollow site) are estimated with the method of ab initio thermodynamics. In thermodynamic equilibrium the CoCo/O and the MnSi/O heterojunctions are stable. They show interface states at the Fermi energy in the spin down channel and therefore have reduced spin polarization. The metastable MnMn terminated interface has a band gap

Thermodynamics of the Heusler alloy Co_2-xMn_1+xSi: a combined density functional theory and cluster expansion study

Previous studies indicated that intrinsic point defects play a crucial role for the density of states of ferromagnetic half-metals in the band gap region: At large concentrations, defect-derived bands might close the gap at the Fermi energy in the minority spin channel. In this work, structural disorder in the Co- and Mn-sublattices of the full Heusler alloy Co_2-xMn_1+xSi (-1 < x < 2) is investigated with a cluster expansion approach, parametrized using all-electron density functional theory calculations. By establishing two separate cluster expansions, one for the formation energy and one for the total spin moment, we are in position to determine the stability of different configurations, to predict new (also half-metallic) ground states and to extend the known Slater-Pauling rule for ideally stoichiometric Heusler alloys to non-stoichiometric, Mn-rich compositions. This enables us to identify potentially half-metallic structures in the Mn-rich region. With the help of Monte Carlo simulations based on the cluster expansion, we establish theoretically that Co_2-xMn_1+xSi close to the stoichiometric composition ought to show a high degree of structural order in thermodynamic equilibrium. Hence, samples prepared with the correct stoichiometry should indeed be half-metallic after thermal annealing. Moreover, we predict that adding a small amount of Mn to stoichiometric Co_2MnSi allows to suppress the thermally activated formation of detrimental Co antisites. At Mn-rich compositions (x>1), the ordered ground state structures predicted for zero temperature are found to be thermally unstable and to decompose into Co2MnSi and Mn3Si above room temperature.Comment: 10 pages, 10 figures, typos fixe