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采用基于密度泛函理论的第一性原理软件VASP、电子交换关联势为广义梯度近似的投影缀加波方法研究了磁性形状记忆合金Mn2NiGa的电子结构、四方变形、弹性常数、磁性及声子色散谱线,同时计算了掺杂元素Fe、Co、Ni对Mn2NiGa合金磁性能的影响。
利用EBPs的方法计算四方变形发现,Mn2NiGa的立方结构的总能位于变形能量的局域极大值处,而在c/a=0.94及c/a=1.27处总能处于变形能量局域极小值和局域最小值,分别对应着稳定的四方结构。弹性常数计算结果显示立方结构的Mn2NiGa不满足立方结构稳定性条件;而两个马氏体结构的Mn2NiGa均满足四方结构的稳定性判据。
Mn原子是Mn2NiGa立方结构和四方结构磁性的主要贡献者,Mn(A)、Mn(B)原子磁矩的值不等且呈反平行耦合,这是Mn2NiGa表现亚铁磁的原因。通过电子结构计算揭示Mn2NiGa的电子态劈裂为自旋向上及自旋向下两部分;Mn原子的3d-t2g态及3d-eg态在费米面处的分布差异是Mn2NiGa磁性的主要来源。根据赝能隙的观点,立方结构的费米面附近自旋向上的态密度处于峰谷,自旋向下的态密度处于峰值位置;而四方结构中自旋向上和自旋向下的费米面附近态密度都处于峰谷,这就意味着四方结构相对于立方结构来说更稳定。
通过计算声子色散谱线发现,Mn2NiGa确实存在两种稳定的四方结构,这个结论也很好地印证了四方变形中能量和电子结构的计算结果。由自由能的计算结果可以看出,Mn2NiGa的马氏体逆相变温度为315K,与实验测得的320K相差无几,说明本文计算结果的准确性。
元素掺杂对Mn2NiGa合金的磁性能影响显著。Fe、Co、Ni三种元素的掺杂均能使Mn2NiGa合金的磁矩增大,而且随着掺杂量的增加Mn2-xFe(Co,Ni)xNiGa(x=0.125,0.25,0.75,1)原胞磁矩呈递增趋势。当掺杂量达到x=1时即结构变为MnFe(Co,Ni)Ga时,合金由亚铁磁性转变成铁磁性。