Structural, mechanical, and electronic properties of TiFeGa alloy for spintronic and thermoelectric applications

Öz

Context—The increasing demand for sustainable energy sources and rapid developments in information technologies necessitate the discovery of new generation functional materials. In this context, Half-Heusler alloys have attracted great interest in solid-state physics and materials science due to their rich physical properties such as high Curie temperatures, scalable thermoelectric performance, structural stability, and spintronic potentials. Ti-Fe based alloys, in particular, draw attention due to their environmentally friendly and low-cost components. However, there are limited studies in literature focusing on the ground state properties, elastic anisotropy, and electronic band structure of the TiFeGa alloy.

Objective—This study aims to reveal the structural, electronic, elastic, and thermodynamic properties of the TiFeGa half-Heusler alloy in detail through first-principles calculations, considering potential usage scenarios in spintronic and thermoelectric systems. The study aims to determine the macroscopic durability and application potential of the material starting from its microscopic properties.

Method—All physical parameters of the alloy were evaluated within the framework of Density Functional Theory (DFT) using the Quantum ESPRESSO simulation package. The Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functional under the Generalized Gradient Approximation (GGA) was preferred for the exchange and correlation potential. In the calculations, an 8×8×8 k-point mesh was used for Brillouin zone integration, while the kinetic cutoff energy was determined as 40 Ry. To determine the most stable structure, three different atomic placement models (, , and ) were optimized and their total energies were compared. For the analysis of mechanical properties, elastic constants were derived using the Voigt-Reuss-Hill approximation.

Results—As a result of the optimizations, the γ phase was determined as the most suitable structure in terms of thermodynamic and mechanical stability, possessing the lowest energy. Analyses based on elastic constants (Cij) show that the structure satisfies the Born-Huang stability criteria. Evaluations based on the obtained Bulk modulus (73.55 GPa) and Shear modulus (22.37 GPa) values, along with Pugh's ratio and Poisson's ratio, reveal that the alloy exhibits a ductile character and behaves anisotropically in terms of elasticity. Electronic band structure and density of states (DOS) analyses indicate a metallic character with a weak ferromagnetic moment of 0.53 μB. It was found that the strong hybridization between the d-orbitals of Fe and Ti atoms, especially around the Fermi level, is decisive for conductivity.

Conclusion—The Debye temperature, calculated as approximately 255 K in thermodynamic analyses, reflects the material's resistance to atomic vibrations and its thermal conductivity potential. The obtained data prove that the TiFeGa alloy maintains its structural integrity at low and moderate temperatures, and its mechanical machinability is considerably high due to its ductile structure. Consequently, this material is a promising candidate for spintronic devices and thermoelectric generator applications owing to its ferromagnetic properties, anisotropic elastic behavior, and mechanical durability. It should be noted that the obtained theoretical findings are directly related to the process parameters during the production phase (cooling rate, heat treatment duration, etc.). Changes in process conditions can significantly alter the magnetic moment and elastic moduli of the material by affecting the atomic arrangement (transitions between , and phases). This study provides a reference for the ideal crystal structure, laying the groundwork for the optimization of experimental processes.

Anahtar Kelimeler

• Density functional theory
• TiFeGa
• half-Heusler alloys
• elastic properties
• electronic structure
• thermodynamic properties

Spintronik ve termoelektrik uygulamalar için TiFeGa alaşımının yapısal, mekanik ve elektronik özellikleri

Öz

Arka Plan—Günümüzde sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan talebin artması ve bilgi teknolojilerindeki hızlı gelişmeler, yeni nesil fonksiyonel malzemelerin keşfini zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda Yarı Heusler alaşımları; yüksek Curie sıcaklıkları, ölçeklenebilir termoelektrik performansları, yapısal kararlılıkları ve spintronik potansiyelleri gibi zengin fiziksel özellikleri nedeniyle katı hal fiziği ve malzeme bilimi alanında yoğun ilgi odağı olmaktadır. Özellikle Ti-Fe bazlı alaşımlar, çevreci ve düşük maliyetli bileşenleri nedeniyle dikkat çekmektedir. Ancak, literatürde TiFeGa alaşımının temel durum özellikleri, elastik anizotropisi ve elektronik bant yapısı üzerine yapılan çalışmalar sınırlıdır.

Amaç— Bu çalışma, spintronik ve termoelektrik sistemlerdeki potansiyel kullanım senaryoları göz önüne alınarak, TiFeGa yarı-Heusler alaşımının yapısal, elektronik, elastik ve termodinamik özelliklerini ilk prensip hesaplamalar yoluyla detaylı ve kapsamlı bir şekilde ortaya koymayı amaçlamaktadır. Çalışma, malzemenin mikroskobik özelliklerinden yola çıkarak makroskobik dayanıklılığını ve uygulama potansiyelini belirlemeyi hedeflemektedir.

Yöntem—Alaşımın tüm fiziksel parametreleri, Quantum ESPRESSO simülasyon paketi kullanılarak Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) çerçevesinde değerlendirilmiştir. Değiş-tokuş ve korelasyon potansiyeli için Genelleştirilmiş Eğim Yaklaşımı (GGA) altında Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) fonksiyoneli tercih edilmiştir. Hesaplamalarda Brillouin bölgesi entegrasyonu için 8x8x8 k-noktası örgü ağı kullanılırken, kinetik kesme enerjisi 40 Ry olarak belirlenmiştir. En kararlı yapıyı belirlemek adına üç farklı atomik yerleşim modeli (, , ve ) optimize edilmiş ve toplam enerjileri karşılaştırılmıştır. Mekanik özelliklerin analizi için Voigt-Reuss-Hill yaklaşımı kullanılarak elastik sabitler türetilmiştir.

Bulgular—Yapılan optimizasyonlar sonucunda, termodinamik ve mekanik kararlılık bakımından en düşük enerjiye sahip uygun yapının γ fazı olduğu belirlenmiştir. Elastik sabitler (Cij) üzerinden yapılan analizler, yapının Born-Huang kararlılık kriterlerini sağladığını göstermektedir. Elde edilen Bulk modülü (73.55 GPa) ve Kayma modülü (22.37 GPa) değerleri ile Pugh oranı ve Poisson oranı üzerinden yapılan değerlendirmeler, alaşımın sünek (ductile) bir yapıya sahip olduğunu ve elastik olarak anizotropik bir karakter sergilediğini ortaya koymaktadır. Elektronik bant yapısı ve durum yoğunluğu (DOS) analizleri, malzemenin 0.53 μB manyetik moment ile zayıf ferromanyetik ve metalik özellikte olduğunu göstermektedir. Özellikle Fermi seviyesi civarında Fe ve Ti atomlarının d-orbitalleri arasındaki güçlü hibridizasyonun iletkenlikte belirleyici olduğu saptanmıştır.

Sonuç—Termodinamik incelemelerde yaklaşık 255 K olarak hesaplanan Debye sıcaklığı, malzemenin atomik titreşimlere karşı direncini ve termal iletkenlik potansiyelini yansıtmaktadır. Elde edilen veriler, TiFeGa alaşımının düşük ve orta sıcaklıklarda yapısal bütünlüğünü koruduğunu, sünek yapısı sayesinde mekanik işlenebilirliğinin oldukça yüksek olduğunu kanıtlamaktadır. Sonuç olarak bu malzeme, sahip olduğu ferromanyetik özellikler, yöne bağlı elastik davranışlar ve mekanik dayanıklılık sayesinde spintronik aygıtlarda ve termoelektrik jeneratör uygulamalarında gelecek vaat eden bir adaydır. Elde edilen teorik bulguların, üretim aşamasındaki proses parametreleri (soğutma hızı, ısıl işlem süresi vb.) ile doğrudan ilişkili olduğu unutulmamalıdır. Proses koşullarındaki değişimler, atomik yerleşim düzenini (, ve fazları arası geçişler) etkileyerek malzemenin manyetik momentini ve elastik modüllerini önemli ölçüde değiştirebilir. Bu çalışma, ideal kristal yapısı için bir referans sunarak deneysel süreçlerin optimizasyonuna zemin hazırlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Yoğunluk fonksiyonel teorisi
• TiFeGa
• yarı Heusler alaşımlar
• elastik özellikler
• elektronik yapı
• termodinamik özellikler.

Kaynakça

1. F. Heusler, “Über magnetische Manganlegierungen”, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 5, 219, 1903, https://archive.org/details/verhandlungende33unkngoog.
2. F. Casper, T. Graf, C. Felser, S. S. P. Parkin, “Simple rules for the understanding of Heusler compounds”, Progress in Solid State Chemistry, 39(1), 1-50, 2011. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
3. F. Casper, T. Graf, S. Chadov, B. Balke, C. Felser, “Half-Heusler compounds: novel materials for energy and spintronic applications”, Semiconductor Science and Technology, 27(6), 063001, 2012. https://doi.org/10.1088/0268-1242/27/6/063001.
4. L. Wollmann, A. K. Nayak, S. S. Parkin, C. Felser, “Heusler 4.0: tunable materials”, Annual Review of Materials Research, 47, 247-270, 2017. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070616-123928.
5. R. A. De Groot, F. M. Mueller, P. G. van Engen, K. H. J. Buschow, “New class of materials: half-metallic ferromagnets”, Physical Review Letters, 50(25), 2024-2027, 1983. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.50.2024.
6. I. Galanakis, P. Mavropoulos, “Spin-polarization and electronic properties of half-metallic Heusler alloys calculated from first principles”, Journal of Physics-Condensed Matter, 19(31), 315213, 2007. https://doi.org/10.1088/0953-8984/19/31/315213.
7. I. Galanakis, P. H. Dederichs, N. Papanikolaou, “Slater-Pauling behavior and origin of the half-metallicity of the full-Heusler alloys”, Physical Review B, 66(17), 174429, 2002. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.174429.
8. L. Offernes, P. Ravindran, A. Kjekshus, “Electronic structure and chemical bonding in half-Heusler phases”, Journal of Alloys and Compounds, 439(1-2), 37-54, 2007. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.08.316.

9. M. de Jong, W. Chen, H. Geerlings, M. Asta, K. A. Persson, “A database to enable discovery and design of piezoelectric materials”, Scientific Data, 2, 150053, 2015. https://doi.org/10.1038/sdata.2015.53.
10. Z. H. Xia, Q. Q. Zhang, M. J. Yuan, Z. H. Liu, X. Q. Ma, “Structural, magnetic and transport properties of the quaternary Heusler alloy CoFeMnSn”, Journal of Alloys and Compounds, 937, 168497, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168497.
11. S. Gupta, N. Mahanta, P. K. Patra, “First-principles study of structural, mechanical, electronic and magnetic properties of CoPtMnAl and FePtMnSi quaternary Heusler alloys for spintronic applications”, Physica Scripta, 101(9), 095905, 2026. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ae4792.
12. P. Hohenberg, W. Kohn, “Inhomogeneous electron gas”, Physical Review, 136(3B), B864-B871, 1964, https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864.
13. W. Kohn, L. J. Sham, “Self-consistent equations including exchange and correlation effects”, Physical Review, 140(4A), A1133-A1138, 1965. https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133.
14. A. Dal Corso, “Elastic constants of beryllium: a first-principles investigation”, Journal of Physics-Condensed Matter, 28(7), 075401, 2016. https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/7/075401.
15. M. A. Blanco, E. Francisco, V. Luana, “GIBBS: isothermal-isobaric thermodynamics of solids from energy curves using a quasi-harmonic Debye model”, Computer Physics Communications, 158(1), 57-72, 2004. https://doi.org/10.1016/j.comphy.2003.12.001.
16. E. Albayrak, “Potential of Be2FeX (X= Ag, Au, Cd, Cu, Ga, Zn) Heusler alloys for spintronics and energy conversion Technologies”, Journal of Materials Science-Materials in Electronics, 36, 600, 2025. https://doi.org/10.1007/s10854-025-14666-6.
17. P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M. Buongiorno Nardelli, et al., “Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO”, Journal of Physics-Condensed Matter, 29(46), 465901, 2017. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79.
18. T. Bachagha, J. J. Suñol, “All-d-metal Heusler alloys: A review”, Metals, 13(1), 111, 2023. https://doi.org/10.3390/met13010111.
19. A. T. Petit and P. L. Dulong, “Recherches sur quelques points importants de la théorie de la chaleur,” Annales de Chimie et de Physique, 10, 395-413, 1819.
20. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G. L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. D. Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R. Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A. P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari, R. M. Wentzcovitch, “QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials”, Journal of Physics-Condensed Matter, 21(39), 395502, 2009. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.