Computational design of magnetic materials for energy applications

At present there is a growing demand for refrigeration and cooling applications, with an expected commensurate increase in energy consumption. In this sense, functional magnetic materials enable numerous technologically relevant applications, such as magnetic cooling, energy conversion and energy harvesting. By exploiting the magnetocaloric effect, magnetic refrigeration promises to be an efficient and environmentally friendly cooling technology, however, it requires materials with a slew of optimized magnetic and structural properties, such as a large adiabatic temperature change and good mechanical behaviour. On the other hand, magnetic materials can exhibit emergent transport properties, e.g., the anomalous Hall and Nernst effects, with the latter allowing for the realisation of transverse thermoelectric devices. Such transport effects can be attributed to the presence of topological band structure features that contribute to the Berry curvature, e.g Weyl points and nodal lines, with their distance to the Fermi energy being a key factor and subject to optimization.

High-throughput screenings based on density functional theory calculations have been used as a method to accelerate materials discovery, with the aim of screening for stable compounds with intriguing properties. However, the application of such studies to magnetocaloric materials is still lacking, with no overreaching design strategy to tackle first-order magnetic transitions. In this work, a high-throughput procedure was implemented and applied to two classes of intermetallic systems - MM'X alloys (M & M'=metals, X=main-group) and all-d-metal Heusler compounds, in order to screen for promising candidates for caloric applications. We identified trends in key features of these systems, such as stability and relative bonding strengths in MM'X alloys. While in the all-d-metal Heusler family, we discussed how d-d bonding affects the mechanical behaviour and structural preference in this material class. In order to tackle the critical aspect of the magnetocaloric behaviour, we implement a computational workflow that screens for the magnetic and structural states that enable a first-order transition and then describes the finite-temperature effects that drive it. Using the notion of the Curie temperature window within an ab initio framework, we inform the selection and optimization of MM'X and all-d-metal Heusler compounds with potential magneto-structural transitions. We further predict how such properties can be controlled through isostructural substitution, guided by the results of our high-throughput study. We further explored the anomalous Hall and Nernst effects in the all-d-metal Heusler systems that were labelled as stable, and discussed the dependence of such effects on electron filling.

The results presented here serve to enrich automated ab initio workflows, representing a systematic methodology for evaluating the thermodynamic properties of magnetic materials, while the generated databases of MM'X and all-d-metal Heusler compounds provide a possible starting point for future machine learning studies. Thus, this work opens up new possibilities for the discovery and design of functional magnetic materials.

Aktuell steigt die Nachfrage nach Kühl- und Kühlapplikationen, wodurch auch ein entsprechender Anstieg des Energieverbrauchs erwartet wird. In diesem Zusammenhang gewinnen funktionelle magnetische Materialien für zahlreiche technologisch relevante Anwendungen wie magnetische Kühlung, Energieumwandlung und "Energy Harvesting" immer mehr an Relevanz. Durch die Nutzung des magnetokalorischen Effekts verspricht die magnetische Kühlung eine effiziente und umweltfreundliche Kühltechnologie zu werden. Dafür werden jedoch Materialien mit verschiedenen optimierten magnetischen und strukturellen Eigenschaften benötigt, zu den wichtigsten Eigenschaften zählen: eine große adiabatische Temperaturänderung und eine gute mechanische Stabilität. Magnetische Materialien zeigen aber auch neuartige Transporteigenschaften wie den anomalen Hall- und den Nernst-Effekt, wobei letzterer die Realisierung von transversalen thermoelektrischen Geräten ermöglicht. Diese Transporteffekte lassen sich auf topologische Bandstrukturmerkmalen wie Weyl-Punkte und Knotenlinien zurückführen, welche zur Berry-Krümmung beitragen, dabei spielt der Abstand zur Fermi-Energie und deren Optimierung eine entscheidende Rolle.

Um die Materialentdeckung zu beschleunigen, wird Hochdurchsatz-Screenings auf der Grundlage von Dichtefunktionaltheorieberechnungen eingesetzt, mit dem Ziel, stabile Verbindungen mit den gewünschten Eigenschaften zu finden. Für die Suche nach magnetokalorischen Materialien wurde die Methode jedoch noch nicht angewendet, da es keine weitreichende Designstrategie gibt, um magnetische Übergänge erster Ordnung zu bewältigen. In dieser Arbeit wurde ein Hochdurchsatzverfahren entwickelt und implementiert. Das Verfahren wurde auf zwei Klassen von intermetallischen Systemen angewandt, um vielversprechende Kandidaten für kalorische Anwendungen zu finden: MM'X-Legierungen (M & M'=Metalle, X=Hauptgruppe) und all-d Heusler Legierungen. Dabei konnten wir Tendenzen bezüglich der wichtigsten Merkmale dieser Systeme festgestellt werden z..B. die Korrelation zwischen der Stabilität und den relativen Bindungsstärken in MM'X-Legierungen. Im Falle der all-d Heusler Legierungen wurde untersucht wie sich die d-d-Bindung auf das mechanische Verhalten und die strukturellen Vorzüge dieser Materialklasse auswirkt.

Um den spezifischen Aspekt des magnetokalorischen Verhaltens zu berücksichtigen wurde ein Berechnungsablauf implementiert, welcher die magnetischen und strukturellen Zustände heraussucht und einen Phasenübergang erster Ordnung erlaubt. Anschließend wurde der Effekt der endlichen Temperatur beschrieben, der den Phasenübergang ermöglicht. Unter Verwendung des Begriffs des Curie-Temperaturfensters in einer ab initio-Umgebung fließen Informationen in die Auswahl und optimieren die Suche nach potenziellen MM'X- und all-d Heusler Legierungen mit einem magnetisch-strukturellen Übergängen. Des Weiteren wurde vorhergesagt, wie sich diese Eigenschaften durch isostrukturelle Substitution steuern lassen, wobei wir uns von den Ergebnissen unserer Hochdurchsatzstudie leiten lassen. Darüber hinaus wurde der anomalen Hall- und Nernst-Effekte in den als stabil eingestuften all-d Heusler Legierungen und die Abhängigkeit dieser Effekte von der Elektronenfüllung untersucht und diskutiert. Die hier vorgestellten Ergebnisse bereichern die automatisierten ab initio Arbeitsabläufe, indem sie eine systematische Methodik zur Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften magnetischer Materialien darstellen, während die generierten Datenbanken von MM'X- und all-d Heusler Legierungen einen möglichen Ausgangspunkt für zukünftige maschinelle Lernstudien darstellen. Dadurch eröffnet diese Arbeit neue Möglichkeiten für die Entdeckung und das Design von funktionellen magnetischen Materialien.