Spintronik Uygulamalar için BeFeSi Yarı Heusler Alaşımının DFT ile Teorik incelemesi DFT Theoretical Investigation of BeFeSi Semi-Heusler Alloy for Spintronic Applications

Öz

Bu çalışmada, BeFeSi yarı Heusler alaşımının elektronik, yapısal, elastik ve termal özellikleri, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) yöntemiyle ilk kez teorik olarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Literatürde daha önce kapsamlı bir çalışması bulunmayan BeFeSi alaşımına yönelik hesaplamalar, bu malzemenin ileri teknoloji alanlarındaki potansiyelini ortaya koymaktadır. Yapısal analizler sonucunda, alaşımın en kararlı örgü parametresi 5.032 Å olarak hesaplanmıştır. Bu değer, alaşımın mekanik olarak dengeli ve kararlı bir kristal yapıya sahip olduğunu göstermektedir. Bant yapısı ve durum yoğunluğu (DOS) analizleri, BeFeSi'nin yarı metalik karakter taşıdığını ve Fermi seviyesinde spin bağımlı bir bant yapısına sahip olduğunu ortaya koymuştur. Spin-aşağı yöneliminde yaklaşık 0.2 eV civarında küçük bir bant boşluğu bulunması, malzemenin spintronik uygulamalarda kullanım potansiyeline işaret etmektedir. Fe 3d ve Si 3p orbitalleri arasındaki hibritleşme, bant yapısının oluşumunda kritik bir rol oynamaktadır. Mekanik analizler sonucunda, Bulk modülü 147.88 GPa, kayma modülü 23.62 GPa ve Young modülü 67.28 GPa olarak hesaplanmıştır. B/G oranının 6.26 olması, alaşımın yüksek süneklik sergilediğini göstermektedir. Poisson oranının 0.424 olması, bağlanma yapısının metalik karakter içerdiğini ve Fe-Si bağlarının metalik-kovalent hibrit bağlanma gösterdiğini işaret etmektedir. Termal analizlerde, titreşim enerjisi, serbest enerjisi, entropisi ve ısı kapasitesinin (Cv) sıcaklığa bağlı değişimi değerlendirilmiştir. Serbest enerjinin sıcaklık arttıkça azalması, alaşımın yüksek sıcaklıklarda kararlılığının azaldığını göstermektedir. Entropi artışı ise atomik hareketliliğin yükseldiğine işaret etmektedir. Yapılan hesaplamalar ve analizler, BeFeSi alaşımının termoelektrik, spintronik ve enerji dönüşüm sistemleri gibi ileri teknoloji alanlarında kullanılabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Elektronik bant yapısının manyetik özelliklerle birleşmesi, malzemenin düşük güçlü manyetik hafıza ve manyetik sensörler gibi uygulamalarda değerlendirilebileceğini ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Spintronik uygulamalar
• Heusler alaşımlar
• DFT yaklaşımı
• Yarı metalik malzemeler

Kaynakça

1. Bansil, A., Lin, H., & Das, T. 2016. Colloquium: Topological band theory. Reviews of Modern Physics 88:021004. DOI: 10.1103/RevModPhys.88021004.
2. Berry, T., Fu, C., Auffermann, G., Fecher, G.H., Schnelle, W., Serrano-Sanchez, F., et al. 2017. Enhancing thermoelectric performance of TiNiSn half-Heusler compounds via modulation doping. Chemistry of Materials 29:7042–7048. DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02685.
3. Born, M., & Huang, K. 1965. Dynamical Theory of Crystal Lattices. Oxford: Clarendon Press. DOI: 10.1093/oso/9780192670083.001.0001.
4. Chernov, E.D., & Lukoyanov, A.V. 2023. Effect of electron correlations on the electronic structure and magnetic properties of the full Heusler alloy Mn₂NiAl. Magnetochemistry 9:185. DOI: 10.3390/magnetochemistry9070185.
5. Corso, A.D. 2016. Elastic constants of beryllium: A first-principles investigation. Journal of Physics: Condensed Matter 28:075401. DOI: 10.1088/0953-8984/28/7/075401.
6. Elphick, K., Frost, W., Samiepour, M., Kubota, T., Takanashi, K., Sukegawa, H., et al. 2021. Heusler alloys for spintronic devices: Review on recent development and future perspectives. Science and Technology of Advanced Materials 22(1):235–271. DOI: 10.1080/14686996.2020.1812364.
7. Fortunato, N.M., Li, X., Schönecker, S., Xie, R., Taubel, A., Scheibel, F., Opahle, I., Gutfleisch, O., & Zhang, H. 2023. High-throughput design of all-d-metal Heusler alloys for magnetocaloric applications. Chemistry of Materials 36:6765. DOI: 10.1021/acs.chemmater.4c00345.
8. Giannozzi, P., Andreussi, O., Brumme, T., Bunau, O., Buongiorno Nardelli, M., Calandra, M., et al. 2020. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. Journal of Physics: Condensed Matter 29:465901. DOI: 10.1088/1361-648X/aa8f79.

9. Kawasaki, J.K. 2019. Heusler interfaces—Opportunities beyond spintronics? APL Materials 7:080907. DOI: 10.1063/1.5099576.
10. Marathe, M., & Herper, H.C. 2023. Exploration of all-3d Heusler alloys for permanent magnets: An ab initio based high-throughput study. Physical Review B 107:174402. DOI: 10.1103/PhyRevB.107.174402.
11. Otrokov, M.M., Klimovskikh, I.I., Bentmann, H., et al. 2019. Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator. Nature 576:416–422. DOI: 10.1038/s41586-019-1840-9.
12. Perdew, J.P., Burke, K., & Ernzerhof, M. 1996. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters 77:3865. DOI: 10.1103/PhyRevLett.77.3865.
13. Singh, A.K., Ramarao, S.D., & Peter, S.C. 2020. Rare-earth based half-Heusler topological quantum materials: A perspective. APL Materials 8:060903. DOI: 10.1063/5.0006118.
14. Tavares, S., Yang, K., & Meyers, M.A. 2023. Heusler alloys: Past, properties, new alloys, and prospects. Progress in Materials Science 132:101017. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2022.101017.
15. Yadav, D.K., Bhandari, S.R., & Kaphle, G.C. 2020. Structural, elastic, electronic, and magnetic properties of MnNbZ (Z = As, Sb) and FeNbZ (Z = Sn, Pb) semi-Heusler alloys. Materials Research Express 7:116527. DOI: 10.1088/2053-1591/abcc86.
16. Zhao, W., Zhang, Y., Yin, Y., Xing, K., Zhou, S., Bake, A., et al. 2025. Giant Berry curvature in amorphous ferromagnet Co₂MnGa. Matter. DOI: 10.1016/j.matt.2025.101988.
17. Qi, X.L., & Zhang, S.C. 2011. Topological insulators and superconductors. Reviews of Modern Physics 83:1057– 1110. DOI: 10.1103/RevModPhys.83.1057.