DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89836-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535526
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Bharti Gurunani وآخرون
الموضوع الرئيسي: سبائك هيوسلي: الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، استخدم غوروناني ودينش سي حسابات من المبادئ الأولى باستخدام أكواد WIEN2k وBoltzTraP لاستكشاف الخصائص المعتمدة على الضغط لسبائك CoHfGe نصف هيوسلي ضمن نطاق ضغط من 0-25 جيجا باسكال. تشير النتائج إلى أن الخصائص المرنة، بما في ذلك معامل الحجم ($B$)، ومعامل القص ($G$)، ومعامل يونغ ($E$)، تظهر ارتباطًا إيجابيًا مع الضغط، مما يشير إلى زيادة صلابة المادة. تُظهر السبيكة سلوكًا قابلًا للتشكيل حتى 15 جيجا باسكال، مع انتقالها إلى طبيعة هشة عند الضغوط الأعلى، كما تم تقييمه من خلال قاعدة بيوغ، وضغط كوشي، ونسبة بواسون. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد حسابات تردد الفونون الاستقرار الديناميكي لـ CoHfGe طوال نطاق الضغط المدروس.
يكشف تحليل هيكل الشريط الإلكتروني عن طابع نصف معدني مع فجوة نطاق محدودة، بينما يتم نمذجة الخصائص الحرارية بشكل فعال باستخدام نموذج ديباي، مما يوفر رؤى حول التمدد الحراري، ودرجة حرارة ديباي، ومعلمات غرينيسن، وسعة الحرارة. من الجدير بالذكر أن الخصائص الكهروحرارية، بما في ذلك معامل سيبيك ($S$)، والتوصيل الكهربائي ($\sigma$)، والتوصيل الحراري ($\kappa_e$)، وعامل القدرة ($ZT$)، تظهر اتجاهًا متزايدًا مع الضغط. إن الجمع بين فجوة نطاق مخفضة وزيادة في عامل القدرة يضع CoHfGe كمرشح واعد للتطبيقات الكهروحرارية، لا سيما في تخزين الطاقة وحلول الطاقة المستدامة، مستفيدًا من الحرارة المهدرة لتوليد الطاقة الخضراء.
طرق
في هذه الدراسة، تم التحقيق في هيكل الحالة الأرضية وخصائص مختلفة لسبيكة CoHfGe باستخدام طرق حسابية من المبادئ الأولى، وبشكل خاص طريقة الموجة المسطحة المعززة بالكامل (FP-LAPW) المطبقة في كود WIEN2k. تم استخدام تقريب التدرج العام (GGA) لإمكانات التبادل والتفاعل، بينما تم استخدام مخطط بيك-جونسن المعدل (mBJ) لتعزيز توقعات فجوة النطاق. شملت الحسابات نهج كرة المافين-تين لسلوك الإلكترون، مع قطع زوايا عالية من الزخم قدره \( l_{\text{max}} = 10 \) وقطع موجة مسطحة قدره \( R_{\text{MT}} K_{\text{max}} = 7 \). تم استخدام شبكة كثيفة من 3000 نقطة k لتكامل منطقة بريلوان، مما يضمن تقارب الطاقة الكلية وكثافة الشحنة إلى داخل \( 0.0001 \) راي و\( 0.0001 \) إلكترون لكل وحدة خلوية، على التوالي.
لتقييم الخصائص الميكانيكية للسبيكة، تم حساب الثوابت المرنة باستخدام حزمة Cubic-elastic، بينما تم تحليل الخصائص الحرارية الفيزيائية من خلال نموذج ديباي شبه التوافقي، الذي قدم رؤى حول الحرارة النوعية، ومعاملات التمدد الحراري، ومعلمات غرينيسن تحت ظروف درجة حرارة وضغط متغيرة. لحساب الخصائص الكهروحرارية، تم استخدام كود BoltzTraP، مستفيدًا من شبكة كثيفة من 150,000 نقطة k، وهو نهج قياسي لمثل هذه التحقيقات. سمحت هذه المنهجية الشاملة بفهم مفصل للسلوكيات الإلكترونية والمرنة والديناميكية الحرارية لسبيكة CoHfGe.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في دراسة الفيرومغناطيسيات نصف المعدنية، مع التركيز بشكل خاص على سبيكة CoHfGe نصف هيوسلي. تُظهر هذه المادة خصائص إلكترونية فريدة، تتميز بسلوك معدني لقناة دوران واحدة وسلوك شبه موصل للقناة المعاكسة، مما يحقق استقطاب دوران بنسبة 100%. تستخدم الدراسة نظرية الوظيفة الكثافة (DFT) لاستكشاف الخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية والميكانيكية والكهروحرارية لـ CoHfGe تحت ظروف ضغط متغيرة (0-25 جيجا باسكال). تشير النتائج الرئيسية إلى أن المادة تحافظ على سلامتها الهيكلية دون انتقالات طور تحت الضغط، بينما تتحول خصائصها الإلكترونية من نصف معدنية إلى معدنية مع زيادة الضغط، مما يؤدي إلى تقليل كبير في فجوة النطاق من 0.87 إلكترون فولت إلى 0.01 إلكترون فولت.
علاوة على ذلك، تؤكد الأبحاث على تداعيات هذه النتائج للتطبيقات في الإلكترونيات الدورانية والأجهزة الكهروحرارية. تُظهر سبيكة CoHfGe خصائص ميكانيكية قوية، مع زيادة الثوابت المرنة والقدرة على التشكيل مع ارتفاع الضغط، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية الأداء. تؤكد تحليلات الطاقة التماسك والانثالبي للتكوين أيضًا على استقرار المادة والترابط القوي بين الذرات. بشكل عام، لا تعزز الدراسة فقط فهم خصائص CoHfGe ولكنها تمهد الطريق أيضًا لاستخدامها المحتمل في التطبيقات التكنولوجية المتقدمة، لا سيما في مجالات الطاقة المستدامة والأجهزة الدورانية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89836-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535526
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Bharti Gurunani et al.
Primary Topic: Heusler alloys: electronic and magnetic properties
Overview
In this study, Gurunani and Dinesh C employed first-principles calculations using WIEN2k and BoltzTraP codes to explore the pressure-dependent properties of the CoHfGe half-Heusler alloy within a pressure range of 0-25 GPa. The findings indicate that the elastic properties, including the bulk modulus ($B$), shear modulus ($G$), and Young’s modulus ($E$), exhibit a positive correlation with pressure, suggesting increased material stiffness. The alloy demonstrates ductile behavior up to 15 GPa, transitioning to a brittle nature at higher pressures, as assessed through Pugh’s rule, Cauchy pressure, and Poisson’s ratio. Additionally, phonon frequency calculations confirm the dynamical stability of CoHfGe throughout the studied pressure range.
The electronic band structure analysis reveals a half-metallic character with a finite band gap, while the thermal properties are effectively modeled using the Debye model, providing insights into thermal expansion, Debye temperature, Grüneisen parameters, and heat capacity. Notably, the thermoelectric properties, including the Seebeck coefficient ($S$), electrical conductivity ($\sigma$), thermal conductivity ($\kappa_e$), and power factor ($ZT$), show an increasing trend with pressure. The combination of a reduced band gap and enhanced power factor positions CoHfGe as a promising candidate for thermoelectric applications, particularly in energy storage and sustainable energy solutions, leveraging waste heat for green energy generation.
Methods
In this study, the ground state structure and various properties of the CoHfGe alloy were investigated using first-principles computational methods, specifically the Full-Potential Linear Augmented Plane Wave (FP-LAPW) method implemented in the WIEN2k code. The Generalized Gradient Approximation (GGA) was employed for the exchange-correlation potential, while the modified Becke-Johnson (mBJ) scheme was utilized to enhance bandgap predictions. The calculations involved a muffin-tin sphere approach for electron behavior, with a high angular momentum cutoff of \( l_{\text{max}} = 10 \) and a plane wave cutoff of \( R_{\text{MT}} K_{\text{max}} = 7 \). A dense 3000-point k-mesh was used for Brillouin zone integration, ensuring convergence of total energy and charge density to within \( 0.0001 \) Ry and \( 0.0001 \) electrons per unit cell, respectively.
To assess the alloy’s mechanical properties, elastic constants were calculated using the Cubic-elastic package, while thermophysical properties were analyzed through the quasi-harmonic Debye model, which provided insights into specific heat, thermal expansion coefficients, and Grüneisen parameters under varying temperature and pressure conditions. For thermoelectric property calculations, the BoltzTraP code was employed, utilizing a dense k-mesh of 150,000 k-points, which is a standard approach for such investigations. This comprehensive methodology allowed for a detailed understanding of the electronic, elastic, and thermodynamic behaviors of the CoHfGe alloy.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant advancements in the study of half-metallic ferromagnets, particularly focusing on the CoHfGe half Heusler alloy. This material exhibits unique electronic properties, characterized by metallic behavior for one spin channel and semiconducting behavior for the opposite, achieving 100% spin polarization. The study employs density functional theory (DFT) to explore the structural, electronic, magnetic, mechanical, and thermoelectric properties of CoHfGe under varying pressure conditions (0-25 GPa). Key findings indicate that the material maintains its structural integrity without phase transitions under pressure, while its electronic properties shift from half-metallic to metallic as pressure increases, resulting in a significant reduction in the band gap from 0.87 eV to 0.01 eV.
Moreover, the research underscores the implications of these findings for applications in spintronics and thermoelectric devices. The CoHfGe alloy demonstrates robust mechanical properties, with increasing elastic constants and ductility as pressure rises, making it suitable for high-performance applications. The cohesive energy and enthalpy of formation analyses further confirm the material’s stability and strong interatomic bonding. Overall, the study not only enhances the understanding of CoHfGe’s properties but also paves the way for its potential utilization in advanced technological applications, particularly in the realms of sustainable energy and spintronic devices.