최근에 발견된 $d^0$ 반쪽금속성을 가지는 호이슬러 화합물 $N_2KCa$와 $O_2KCa$이 합금을 이루었을 때 그 반쪽금속성과 자성을 제일원리 방법을 이용하여 연구하였다. 계산을 통해 얻은 상태밀도와 총 자기모멘트를 통해 고려의 대상인 $N_{1.5}O_{0.5}KCa$, NOKCa, $N_{0.5}O_{1.5}KCa$ 등 세 가지 화합물 모두 반쪽금속성 나타냄을 알 수 있었다. 이들 화합물에서 N 원자와 O 원자의 자기모멘트는 순수물질에 비해 상당히 증가하였으며, K 원자의 자기모멘트는 상당히 큰 음의 값을 가졌다. 각 원자들의 자기모멘트와 계산된 원자별 상태밀도를 연관시켜 자성과 반쪽금속성을 논의하였다.
최근에 전자구조 계산으로 반쪽금속성을 가진다는 것이 확인된 4원 호이슬러 화합물인 CoFeCrGa와 CoFeCrGe의 (001)표면에서 반쪽금속성의 유지여부와 표면자성을 Full-potential Linearized Augmented Plane Wave 에너지띠 계산방법을 통해 연구하였다. 이를 위해 두 화합물 모두에서 각기 CoFe와 CrGa, 그리고 CrGe로 끝나는 (001)표면을 모두 고려하였다. 계산된 상태밀도로부터 두 화합물의 두가지 절단표면계 모두에서 반쪽금속성이 유지되지 못함을 알았다. 다만 CoFeCrGa에서 CrGa(001) 표면계는 그 상태밀도로부터 거의 반쪽금속성을 가짐을 알았다. 두 계에서 표면이나 표면 밑층의 Co나 Fe, 그리고 Cr 원자의 자기모멘트는 계에 따라 상당히 다른 값을 가졌다.
각기 암염(rocksalt: RS) 구조와 zinc-blende(ZB) 구조를 가지면서 덩치상태에서 반쪽금속성을 나타내는 NaN 화합물에서 표면의 전자구조를 계산하고 반쪽금속성이 표면에서도 유지되는지를 제일원리 전자구조 계산을 통해 검토하였다. 이를 위해 두 가지 원소를 모두 가진 표면, 즉 RS(001) 표면과 ZB(110) 표면을 고려하였다. 각각의 판에 대해 계산된 자기모멘트는 정수로서 이는 표면에서도 반쪽금속성이 유지됨을 나타낸다. 이러한 사실은 각 원자에 대한 상태밀도를 통해서도 확인할 수 있었다. 각각의 계에서 자기모멘트 값에 대해 N 원자들이 주된 기여를 하였고, 두 계 모두에서 표면 N 원자의 자기모멘트는 덩치 값에 비해 증가 하여 각기 $0.75{\mu}_B$를 가졌다. Na 원자가 자성에 기여하는 바는 미미하였으며 표면으로 갈수록 그 자기모멘트가 줄어들어 자성을 거의 나타내지 않았다. 반쪽금속성을 나타내는 띠간격의 크기는 가운데 층이나 표면층이나 큰 차이가 없었다.
Full-Heusler 화합물인 $Co_2TiSn$(001) 표면의 전자구조, 자성 및 반쪽금속성을 일반기울기근사(GGA)를 채택한 총퍼텐셜선형보강평면파동(FLAPW)방법을 이용하여 이론적으로 연구하였다. $Co_2TiSn$ 화합물의 (001)방향에서 2가지 가능한 표면, 즉 Co 원자들로 끝나는 면(Co-term)과 TiSn 원자들로 끝나는 면(TiSn-term)을 고려하였다. 계산된 상태밀도로부터 Co-term의 표면에서는 반쪽금속성이 깨어졌지만 TiSn-term의 표면에서는 반쪽금속성이 유지됨을 알 수 있었다. Co-term의 경우 표면 Co 원자의 좌표수가 줄어들면서 Co 원자의 채워진 소수 스핀 d-상태가 높은 에너지 영역으로 이동하여 페르미에너지에 걸치면서 반쪽금속성이 깨어진다. TiSn-term에서는 표면상태가 페르미에너지 바로 아래에 위치하면서 소수 스핀 띠간격이 가운데 층에 비하여 많이 줄어들었다. Co 원자의 자기모멘트는 Co-term의 표면에서는 내부 층에 비하여 약 10 % 증가한 1.16 ${\mu}_B$의 값을 가지는 반면 TiSn-term의 표면 바로 아래층에서는 내부 층과 비슷한 값(1.03 ${\mu}_B$)을 가졌다.
Zinc-blende 구조를 가진 CrS(001) 표면에서의 반쪽금속성과 자성을 제일원리 방법을 이용하여 연구하였다. 이를 위해 (001)면에서 서로 다른 두 개의 원자로 끝나는 면, 즉 Cr원자로 끝나는 (001) 표면(Cr-Term)과 S원자로 끝나는 (001) 표면(S-Term)계의 전자구조를 총 퍼텐셜 선형보강평면파동(FLAPW) 에너지띠 방법을 이용하여 계산하였다. 계산된 상태밀도로부터 Cr-Term과 S-Term계 모두 그 표면에서 반쪽금속성이 유지됨을 알았다 Cr-Term계의 표면 Cr원자의 자기모멘트는 덩치상태($3.61\;{\mu}_B$)에 비해 상당히 큰 $4.07\;{\mu}_B$이었으며 S-Term의 경우 표면 바로 밑층 Cr원자의 자기모멘트는 덩치상태에 비해 상당히 감소한 $3.15\;{\mu}_B$의 값을 가졌다.
호이슬러 구조를 가진 반쪽금속 $Co_2$ZrSi와 반도체인 ZnTe이 (001)면을 따라 계면을 이루었을 때 전자구조, 자성 및 반쪽금속성을 총 퍼텐셜 선형보강평면파동(FLAPW) 방법을 이용하여 이론적으로 연구하였다. 모두 4가지 가능한 계면, 즉 ZrSi/Zn, ZrSi/Te, Co/Zn와 Co/Te을 고려하였다. 계산된 상태밀도로부터 4가지 계면에서 모두 반쪽금속성이 깨어졌음을 알 수 있었으나 Co/Te의 경우 페르미에너지에서 소수 스핀 상태밀도의 값은 영에 가까웠다. 계면에서 반쪽금속성이 파괴되는 것은 계면에서 원자들의 좌표수와 대칭성이 덩치상태와 달라지고 계면전자들 사이의 띠 혼성에 의해 덩치 $Co_2$ZrSi의 소수 스핀 띠간격에 계면상태들이 나타났기 때문이다. Co/Te의 계면에서 Co원자의 자기모멘트의 값은 "bridge"와 "antibridge" 위치에서 각각 0.68과 $0.78{\mu}_B$로서 이는 덩치 Co경우의 값($1.15{\mu}_B$)에 비하여 크게 감소한 것이다. Co/Zn에서 "bridge"와 "antibridge" 위치에 있는 Co원자의 자기모멘트는 각각 1.16과 $0.93{\mu}_B$의 값을 가졌다. 반면 ZrSi/Zn와 ZrSi/Te의 경우 계면 바로 밑층의 Co원자들은 $1.13{\sim}1.30\;{\mu}_B$ 사이의 자기모멘트를 가졌는데 이는 덩치 $Co_2$ZrSi에서의 값과 비슷하거나 약간 증가한 값이다.
덩치상태에서 반쪽금속성을 나타내는 $(AlP)_1/(CrP)_1$ 초격자계에서 (001) 표면의 자성과 반쪽금속성에 대해 FLAPW (Full-potential Liniarized Augmented Plane Wave) 방법을 이용하여 연구하였다. (001) 표면이 나타나는 Al(S)-, Cr(S)-, P(S)Al(S-1)- 및 P(S)Cr(S-1)-term 계 등 모두 네 가지 표면계를 고려하였다. 계산결과 Cr(S)-term 계만 정수배의 보어마그네톤의 자기모멘트를 가져 표면에서 반쪽금속성이 유지됨을 알았다. 이 계에서 표면 Cr 원자의 자기모멘트는 띠좁힘과 스핀분리의 증가 등의 표면효과로 인해 덩치상태에 비해 증가한 $3.02{\mu}_B$였다. P(S)Al(S-1)-term 계에서 표면 P(S)층의 상태밀도는 $p_z$ 상태의 국소화로 인해 매우 예리한 표면상태의 봉우리를 보여 주었으며, P(S)Cr(S-1)-term의 경우 P(S)층과 Cr(S-1)층 사이에 큰 혼합이 존재하였고, 그 결과 P(S)층의 자기모멘트는 $-0.33{\mu}_B$이었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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