Theoretical Investigation of Elastic, Electronic, Structural and Thermodynamic Properties of Bi2FeNi Alloy in Full Heusler Structure

Year 2024, Volume: 16 Issue: 2, 564 - 572, 30.06.2024

Erol Albayrak , Fikri Erdem Şeşen

https://doi.org/10.29137/umagd.1398664

Abstract

Heusler alloys, whose spintronic and magnetoelectronic properties are of great interest, are primarily studied as toric alloys due to the time-consuming and costly synthesis. Alloys with the XY2Z form are called Full Heusler alloys. Bi2FeNi alloy is also a full Heusler alloy and in this study the structural, magnetic, electronic and elastic properties of the alloy have been investigated theoretically using the density functional theory approach (DFT). No experimental or theoretical studies on FeBi2Ni alloy have been reported in the literature so far. In this study, the mechanical and electronic properties of FeBi2Ni alloy are investigated with the aim of understanding their usability in spintronic and magnetoelectronic device applications. The calculated optimized lattice constant of the alloy was obtained as 6.78925 Å using the Quantum Espresso package program and the electronic band graphs of the alloy were plotted. Thanks to these graphs, the conductivity, magnetization and the type of interatomic bonds of the alloy were investigated. As a result of these investigations, Bi2FeNi ternary alloy with full Heusler structure is considered to have metallic conductive and magnetic properties. The elastic constants (C11, C12, C44) of the alloy were calculated and it was found that the alloy is mechanically stable according to Born stability criteria. Quantities such as Young modulus and Bulk modulus, which allow us to make predictions about the alloy, were calculated and it was understood that the alloy has a ductile structure, is compressible and shows anisotropic behavior. In the light of this information, it is thought that the alloy can be used in spintronic and magnetoelectronic applications.

Keywords

Spintronic, Full Heusler alloys, Structural properties

Full Heusler Yapıdaki Bi2FeNi Alaşımının Elastik, Elektronik, Yapısal ve Termodinamik Özelliklerinin Teorik Olarak İncelenmesi

Abstract

Spintronik ve manyetoelektronik özellikleri oldukça ilgi gören Heusler alaşımlar sentezlerinin zaman alması ve maliyetli olması yüzünden öncelikle torik olarak çalışılmaktadırlar. XY2Z formuna sahip alaşımlar Full Heusler alaşımlar olarak adlandırılmaktadır. Bi2FeNi alaşımı da Full Heusler yapıda bir alaşım olup bu çalışmada alaşıma ait yapısal, manyetik, elektronik ve elastik özellikler yoğunluk fonksiyonel teorisi yaklaşımı (DFT) kullanılarak teorik olarak incelenmiştir. FeBi2Ni alaşımı ile alakalı bugüne kadar literatürde herhangi bir deneysel ya da teorik çalışma rapor edilmemiştir. Bu çalışmada FeBi2Ni alaşımnın mekanik ve elektronik özellikleri spintronik ve manyetoelektronik cihaz uygulamalarında kullanılabilirliklerinin anlaşılması amaçlanarak incelenmiştir. Alaşıma ait hesaplanan optimize edilmiş örgü sabiti Quantum Espresso paket programı kullanılarak 6,78925 Å olarak elde edildi, alaşımın elektronik bant grafikleri çizdirildi. Bu grafikler sayesinde alaşıma ait iletkenlik, manyetizasyon ve atomlar arası bağların türü incelenmiştir. Bu incelemeler sonucunda Full Heusler yapıdaki Bi2FeNi üçlü alaşımının metalik iletken ve manyetik özelliklere sahip olduğu düşünülmektedir. Alaşıma ait elastik sabitleri (C11, C12, C44) hesaplanarak alaşımın Born kararlılık kriterlerine göre mekanik olarak kararlı olduğu anlaşıldı. Young modülü, Bulk modülü gibi alaşıma ait tahminler yapmamızı sağlayan nicelikler hesap edilerek alaşımın sünek bir yapıya sahip olduğu, sıkışabilir olduğu ve anizotropik davranış gösterdiği anlaşıldı. Bu bilgiler ışığında alaşımın spintronik ve manyetoelektronik uygulamalarda kullanılabileceği düşünülmektedir.

Keywords

Spintronik, Full Heusler alaşımlar, Yapısal özellikler

References

• Albayrak, E. (2022). XA yapıdaki Ti2RuSn ters-Heusler alaşımının yapısal elektronik, elastik ve termodinamik özelliklerinin teorik olarak incelenmesi, Journal of the Institute of Science and Technology, 12(3), 1496-1505.
• Chermete, H. (1998). Density functional theory A powerful tool for theoretical studies in coordination chemistry, Coordination Chemistry Reviews, 178–180 (1998), 699–721, https://doi.org/10.1016/S0010-8545(98)00179-9.
• Garrity, K. F., Bennett, J. W., Rabe, K. M. & Vanderbilt, D. (2014). Pseudopotentials for high-throughput DFT calculations, Comput. Mater. Sci., 81, 446-452, https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.08.053.
• Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, C., Cavazzoni, C., Ceresoli, D., Chiarotti, G. L., Cococcioni, M., Dabo, I., Corso, A. D., de Gironcoli, S., Fabris, S., Fratesi, G., Gebauer, R., Gerstmann, U., Gougoussis, C., Kokalj, A., Lazzeri, M., Martin-Samos, L., Marzari, N., Mauri, F., Mazzarello, R., Paolini, S., Pasquarello, A., Paulatto, L., Sbraccia, C., Scandolo, S., Sclauzero, G., Seitsonen, A. P., Smogunov, A., Umari, P. & Wentzcovitch, R. M. (2009). Quantum Espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials J. Phys. Condens. Matter, 21(39), 395502, https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.
• Hem, C. K., Gerhard, H. F. & Claudia, F. (2007). Calculated electronic and magnetic properties of the half-metallic, transition metal based Heusler compounds, J. Phys. D: Appl. Phys. 40(6), https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/6/S01.
• Hohenberg, P. & Kohn, W. (1964). Inhomogeneous Electron Gas, Phys. Rev., 136(3B), B864-B871, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864.
• İyigör, A., Al, S. & Arikan, N. (2022). Density functional theory investigation on structural, mechanical, electronic and vibrational properties of Heusler alloys AlXIr2 (X = Co, Cr, Cu, Fe and Zn), Chemical Physics Letters, 806, 140052, https://doi.org/10.1016/j.cplett.2022.140052.
• Kohn, W. & Sham, L. J. (1965). Self-consistent equations including exchange and correlation effects, Phys. Rev., 140(4A), A1133-A1138, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133.
• Lagrone, C. B. (2023). Bismuth (Bi), Salem Press Encyclopedia of Science, Research Starters.
• Nichelson, B. (2023). Iron (Fe), Salem Press Encyclopedia of Science, Research Starters.
• Örnek, O. (2017). B2 fazda intermetalik RuTi alaşımının elektronik, elastiklik ve fonon özelliklerinin incelenmesi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, cilt:8, sayı:4, 845-851.
• Perdew, J. P., Burke, K. & Ernzerhof, M. (1996). Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett., 77(18), 3865-3868, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.
• Petit, P. (1819). Recherches sur quelques points importants de la Théorie de la Chaleur, Annales de Chimie et de Physique, 103, 395–413.
• Philips, J. R. (2023). Nickel (Ni), Salem Press Encyclopedia of Science, Research Starters.
• Pugh, S. F. (1954). XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 45:367, 823-843, https://doi.org/10.1080/14786440808520496.
• URL-1. The Open Quantum Materials Database, https://oqmd.org/analysis/calculation/824849.
• Wei, X. P., Deng, J. B., Mao, G. Y., Chu, S. B. & Hu, X. R. (2012). Half-metallic properties for the Ti2YZ (Y = Fe, Co, Ni, Z = Al, Ga, In) Heusler alloys: A first-principles study, Intermetallics, 29, 86-91, https://doi.org/10.48550/arXiv.1110.5411.