Search

Heusler tipi alaşımlar 1903 yıldan beri bilinmektedir. Heusler tipi alaşımlar, stokiyometrik kompozisyonu X2YZ ve kristal yapısı L21 tipinde kübik yapı olan üçlü intermetalik bileşiklerdir. X ve Y elementleri periyodik tablonun geçiş metali grubundan iken Z elementleri periyodik tablonun III-V grubunun elementidir. Bu alaşımlar Alman maden mühendisi ve kimyacısı olan Friedrich Heusler tarafından CuMn alaşımına 3. grup element ilave edilmesiyle alaşımı oluşturan elementlerin ferromanyetik özelliklerinin değişebildiğinin tespit edilmesiyle bulunmuştur.1983 yılında de Groot ve meslekdaşları tarafından keşfedilen yarı-metalik ferromagnetler spintronik alanındaki potansiyel uygulamalarından dolayı bilimsel araştırmaların merkezindedir. Bu malzemelerin ana karakteristiği iki spin bandı da farklı davranış göstermesidir. Çoğunluk spin bandı tipik metalik davranış gösterirken azınlık spin bandı yarıiletkendir. Bu yüzden Fermi seviyesinde spin polarizasyonu %100 dür ve spintronik cihazların verimliliğini maksimum yapar.Bu tezde yarı-metalik ferromagnetik Heusler alaşımların manyetik özellikleri üzerinde katkı ve düzensizliğin etkisi çalışılmıştır. Bu tezde spintronikte ileri uygulamalar için yoğun şekilde çalışılan yarı-metalik ferromagnetler arasında olan Co ve Mn içeren Heusler alaşımların elektronik ve manyetik yönüne odaklanılmıştır. Araştırmalar katılar için en başarılı ab-inito teorisi olan yoğunluk fonksiyonel teorisine dayanır. Tam potansiyel ortogonal olmayan minimum baz fonksiyonu yöntemini (FPLO) kullanarak yarı-metalik ferromagnetik Heusler alaşımların elektronik ve manyetik özellikleri üzerinde katkılama ve düzensizliğin etkisi incelenmiştir. İlk olarak Co2MnZ(Z=Si, Ge and Sn) Heusler alaşımlarında Mn' ın yerine Cr ve Fe eklenmesiyle yapılan katkılamanın küçük değerlerinde yarı-metaliklik neredeyse hiç etkilenmez. Benzer bir davranış birde Mn ve sp atomları ile dolu olan alt örgülerin karışımıyla elde edilir. Bu yüzden yarı-metaliklik bu alaşımların güçlü bir özelliğidir.Co2MnAl ve Co2MnGa yarı-metalik Heusler alaşımlarınında katkılama ve düzensizlik durumunu kapsaması için tam Heusler alaşımları üzerindeki çalışma genişletilmiştir. Bu alaşımlar gerçek bir enerji aralığının yerine çok küçük bir azınlık durum yoğunluğu gösterirler. Co2MnGa alaşımının aksine Cr ve Fe katkılı Co2MnAl alaşımının yarı-metalik kaldığını elektronik yapı hesaplamaları ortaya çıkarır. Cr katkıları olağandışı bir davranış gösterir ve Cr katkılarının spin momenti Co2MnZ(Z=Si, Ge, Sn)' nin aksine Cr atomlarının konsantrasyonu ile hemen hemen doğrusal olarak artar. Belirtilen konsantrasyon değerlerinde düzensizlik meydana geldiği zaman hem Co2MnAl hem de Co2MnGa alaşımlarında yarı-metaliklik korunmaz.Son olarak, Al, Ga, Si, Ge yada Sn elementlerinden birisi olan, Z, sp atomu ve Cr, Mn yada Fe olan Y, Y* daha düşük değerlikli geçiş metalleri ile Co2[Y1-xY*x]Z dörtlü bileşimlerini çalışılarak Co2MnZ bileşiklerindeki katkılama ve düzensizlik bu çalışmayla tamamlanmıştır. Bu çalışma, hem Y hemde Z elemanları değiştiği için bu bileşiklerin manyetik ve elektronik özelliklerine evrensel bir bakış açısı verir. Bu sonuçlar gerçeğe uygun uygulamalar için en müsait bileşiğin sp atomunun türüne bakılmaksızın x > 0.5' li Co2[Mn1-xCrx]Z ailelerine ait olanlardan birisi olduğunu ortaya koyar. Çünkü bu alaşımlar büyük yarı-metalik band aralıkları ve Fermi seviyesinde yüksek çoğunluk DOS değerlerini birleştirirler. Bu sonuçların spintronik alanındaki deneysel araştırmalar için kuvvetli bir ilgi uyandırması beklenir. Heusler type alloys have been known since 1903. Heusler type alloys are ternary intermetallic compounds that are structured as the stoichiometric composition X2YZ ordered in L21 type cubic structure. The X and Y elements come from the transition metal group, whereas the Z component is the element of the III-IV group. Friedrich Heusler, a German mining engineer and chemist, found that additions of 3rd group elements turn CuMn alloy into a ferromagnetic material.Half-metallic ferromagnets, discovered in 1983 by de Groot and collaborators,are at the center of scientific research due to their potential applications in the field of spintronics. The main characteristic of these materials is a different behavior in the two spin bands: while the majority spin band shows a typical metallic behavior, the minority spin band is semiconducting. Thus, the spin polarization at the Fermi level is 100%, maximizing the efficiency of spintronic devices.In this thesis, the effect of doping and disorder on the magnetic properties of half-metallic ferromagnetic Heusler alloys have been studied. The electronic and magnetic aspects of the Heusler alloys containing Co and Mn, which are amongst the most heavily half-metallic ferromagnets for future applications in spintronics, have been focused on this thesis. The investigations are based on the Density Functional Theory (DFT), the most successful ab-initio theory for the solid state materials. The effect of doping and disorder on their electronic and magnetic properties have been studied by using the full-potential non-ortogonal minimum basis band structure scheme (FPLO) . Firstly, small degrees of doping by substituting Fe or Cr for Mn on Co2MnZ(Z=Si, Ge and Sn) Heusler alloys scarcely affect the half metallicity. A similar effect is also achieved by mixing the sub lattices occupied by the Mn and sp atoms. Thus the half metallicity is a robust property of these alloys.This study on the full-Heusler compounds to cover also the case of doping and disorder in the case of Co2MnAl and Co2MnGa half-metallic Heusler alloys has been expanded. These alloys present a region of very small minority density of states instead of a real gap. Electronic structure calculations reveal that doping with Fe and Cr in the case of Co2MnAl retains the half-metallicity contrary to the Co2MnGa compound. Cr impurities present an unusual behavior, and the spin moment of the Cr impurity scales almost linearly with the concentration of Cr atoms, contrary to the Co2MnZ (Z= Si, Ge, Sn). Half-metallicity is no more preserved for both Co2MnAl and Co2MnGa alloys when disorder occurs in the given concentration data.Finally, this study on the doping and disorder in Co2MnZ compounds to cover also the quaternary Co2[Y1-xY*x]Z compounds with the lower-valent transition metals Y, Y* being Cr, Mn, or Fe and the sp atom Z being one of Al, Ga, Si, Ge, and Sn has been complemented. This study gives a global overview of the magnetic and electronic properties of these compounds since both Y and Z elements are varied. This results suggest that for realistic applications the most appropriate compounds are the ones belonging to the families Co2[Mn1-xCrx]Z with x > 0.5 irrespectively of the nature of the sp atoms since they combine high values of majority density of states at the Fermi level due to the presence of Cr, and half-metallicity with large band gaps. These results are expected to stimulate a strong interest in the experimental research in the field of spintronics. 149

IV ÖZET Son on yılda magnetoelektroniklerin veya spintroniklerin alanında artan ilgi yarı ferromanyetik ve yarı manyetik ferrimanyetik olarak bilinen malzemeler üzerindeki araştırmaları artırdı. Bu malzemeler spin-aşağı veya spin-yukarı bantta bir enerji aralığı (bant aralığı) gösterir ve bu sebepten ötürü spine bağlı aletlerin performansını geliştirmek, artırmak için yada fermi seviyesindeki elektronlar %100 polarize spinli olduğu için dev magnetoresistans (GMR), spin anahtarı, MRAM (Manyetik Random Access Memory) ve mükemmel spin filitreleri olarak kullanılırlar. FPLO packet programında yoğunluk fonksiyonel teorisi çerçevesinde local spin yoğunluk yaklaşımı kullanılmasıyla Co ve Mn tabanlı tam Meusler alaşımları çalıştım. Bu alaşımların çoğunun yarı metalik davranış sahip olduğunu gösterdim. Co tabanlı bu alaşımların çoğu yarı metalik ferromanyetizma gösterirken Mn tabanlı bu alaşımların çoğu yarı metalik ferrimanyetizma gösterir. SUMMARY The increased interest in the field of magnetoelectronics or spintronics during the last decade intensified the research on the so-called half ferromagnetics and half ferrimagnetics materials. These materials present a gap in the minority band or in the majority band and thus can be used as perfect spin filters, MRAM (magnetic random access memory), spin-valve and GMR (giant magnetoresistance) or to enhance and increase the performance of spin dependent devices as electrons at the fermi level are %100 spin polarized. In the FPLO packet program using the local spin density approximation in the framework of density functional theory 1 studied the full lluesler alloys that based on Co and Mn. I show that many of these compounds show a half metallic behavior. While many of these compounds based Co show a half metallic ferromagnetism, many of these compounds Mn show a half metallic ferrimagnetism. 97

Heusler bileşikleri sergiledikleri farklı manyetik özelliklerinden ve bu özelliklere bağlı olarak spintronik teknolojisinde kullanım alanlarından dolayı son yıllarda birçok araştırmacının ilgisini cezbetmektedir. Bu tez çalışmasında Heusler bileşikleri ailesinden dörtlü Heusler bileşiklerinden olan altı ayrı Heusler bileşiğinin((CoVX(X=Ti,Zr,Hf)Al ve CrVX(X=Ti,Zr,Hf)Al)) yapısal, elektronik ve manyetik özellikleri Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi üzerine geliştirilmiş FPLO yazılımı yardımıyla teorik olarak incelenmiştir. Üzerinde çalışılan Heusler yapıların azınlık ve çoğunluk spin kanallarında Fermi enerjisi seviyesinde farklı genişlikte yasak bant aralıklarının olduğu ve bileşiklerin manyetik yarı-iletken karakter sergilediği gösterilmiştir. Elektronik/manyetik özelliklerin pozitif/negatif basınç altındaki değişimi grafiksel olarak sergilenerek, her altı Heusler yapının yarı-iletken yapılarındaki ve bileşiklerdeki elementlerin manyetik tepkilerindeki değişim üzerine odaklanılmıştır. The Heusler compounds are attracting the interest of many researchers in recent years due to the different magnetic properties they exhibit and the possible uses in spintronic technology depending on these properties. In this thesis, the structural, electronic and magnetic properties of six Heusler compounds ((CoVX (X=Ti, Zr, Hf) Al and CrVX(X=Ti, Zr, Hf) Al)) which are Quaternary Heusler compounds from the Heusler family have been studied theoretically with using FPLO software developed on density functional theory. It has been shown that in the minority and major spin channels of the Heusler structures studied have different bandgaps at Fermi energy level and the compounds exhibit magnetic semiconductor character. The change of the electronic / magnetic properties under uniform positive / negative pressure is graphically displayed. We had also a focus on the change in the magnetic responses of the semiconductor structures of the Heusler structures and of the elements in the compounds. 106

Yoğunluk fonksiyonel teorisi; atomların, moleküllerin ve yoğunlaşmış fazların elektronik yapılarını taban durumdaki enerjilerini temel alarak inceleyen hesaplamalı kuantum mekaniksel bir modelleme metodudur. Yoğunluk fonksiyonel teorisi, son zamanlarda fizik, kimya ve malzeme bilimlerinde oldukça popüler hale gelmiştir. Bu tez çalışmasında perovskite SrMO3 [M=Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta] bileşiklerinin elektronik yapıları; örgü sabitleri, elektron yoğunlukları, bant yapıları ve durum yoğunlukları yoğunluk fonksiyonel teorisinin kullanıldığı WIEN2k paket programında hesaplanmıştır. Bileşiklerin termoelektrik özellikleri; elektriksel iletkenlikleri, Seebeck katsayıları, termal iletkenlik katsayıları, Hall direnci katsayıları ve termoelektrik değer katsayıları WIEN2k paket programının arayüzü ile uyumlu olarak çalışan BoltzTraP code programında belirlenmiştir. Elde etmiş olduğumuz sonuçlar literatürdeki deneysel ve teorik çalışmalar ile uyumluluk göstermektedir. Density functional theory is a quantum mechanical modelling method that investigates electronic structure principally ground state energy levels of atoms, molecules and condensed phases. The theory has become rather popular in physics, chemistry and materials science in recently. In this thesis, electronic structures of perovskite SrMO3 [M=Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta] compounds; lattice constants, electron densities, band structures and density of states were calculated on WIEN2k packet programme which uses density functional theory. Thermoelectric properties of compounds; Seebeck coefficients, thermal conductivity coefficients, electrical conductivity coefficients, Hall coefficients and thermoelectric figure of merit were determined by using BoltzTraP code which works compatible with WIEN2k packet programme interface. Our obtained results show compatibility with experimental and theoretical studies in the literature. 72