与半导体相容的半金属铁磁体.pdf
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1、前沿进展 与半导体相容的半金属铁磁体 3 刘 邦 贵 (中国科学院物理研究所 北京 100080) 摘 要 文章在自旋电子学与新型计算机元件的背景下介绍了与半导体相容的半金属铁磁体,及其实验和理论 研究进展情况.指出其中半稳能量低并且稳定性好的理论预测材料有可能不久通过外延方式在合适的基底上生长 出来,并且得到实际应用. 关键词 半金属铁磁体,自旋电子学,半导体 H alf2metallic ferromagnets compatible with semiconductors LIU Bang2Gui ( Institute of Physics , Chinese Academy of S
2、ciences , Beijing 100080, China) Abstract An overview is presented of current experimental and theoretical research on half2metallic ferro2 magnets that are compatible with semiconductors for spintronic and novel computer devices. It is emphasized that certain theoretically predicted materials of lo
3、w meta2stable energy and good stability could be epitaxially fabricated on suitable substrates and may be used in practical applications. Key words half metal , spintronics , semiconductor 3 国家重点基础研究发展计划(批准号: G1999064509)、 国家自然 科学基金(批准号:60021403 ,90406010)资助项目 2004 - 06 - 21收到 通讯联系人. E2mail :bgliu
4、1 引言 传统半导体电子学和计算机元件的信息载体是 电子电荷,电子自旋没有被利用.自旋电子学和新型 计算机元件将利用电子自旋来进行信息处理和存 储,可能产生新一代电子器件,例如:自旋场效应管、 自旋发光二极管、 共振隧穿器件、 太赫兹光学开关、 编码器、 解码器、 量子计算和通信单元,等等1.另 一方面,现在的计算机芯片已经达到亚微米尺度,为 提高信息存储和处理能力,器件尺寸将会小到数十 纳米、 甚至几个纳米.这要求相关材料在纳米尺度上 仍然具有高自旋极化率,以及优良的结构稳定性和 性能稳定性.由于典型的半金属(half - metal)铁磁 体都具有足够高的居里温度和接近100 %的自旋极
5、化率2 ,3,人们很自然地希望利用半金属铁磁体作 为关键部分来实现纳米尺度上性能稳定的自旋电子 学器件与新一代计算机元件. 半金属铁磁体是在1983年发现的一种特殊的 铁磁体2,例如NiMnSb和CrO23,在实验上表现 为具有很高的自旋极化率.从电子结构的观点看,在 不计入自旋轨道耦合的前提下,其中一种自旋的电 子具有金属性能带;另一种自旋的电子能带却具有 半导体特性2,其结果是在费米能级附近只有一种 电子,自旋极化率接近100 %(偏差来自自旋轨道耦 合带来的小修正 ) , 如图1所示.这样,在不太高的温 度下其热力学行为几乎只由单一自旋的电子决定, 可以在较高的温度下维持高自旋极化率.当
6、试图制 作基于这些半金属铁磁体的器件时,人们发现界面 效应带来很大问题,并且很难避免.这样就需要更好 73 34卷(2005年 )1 期 的材料,它们不仅要具备在室温以上的高自旋极化 率、 足够长的电子平均自由程,还必须具备与重要半 导体的相容性.这就是为什么要探索与半导体相容 的半金属铁磁体.获得这种材料的方法之一是用磁 性过渡金属原子替代二元半导体的两种原子之一. 与上述NiMnSb和CrO2有类似属性的半金属铁磁 体还有:Fe3O4、 特殊掺杂的锰氧化物、Sr2FeMoO6系 列等3,但是,目前实验合成成功的闪锌矿相只有 MnAs4、CrAs5和CrSb6,其中只有后两种是真正 的半金属
7、铁磁体.虽然目前这样得到的材料大多不 是基态相7,一般不能做出大块材料,只能做出一 定厚度的薄膜或层状材料,但是未来实用自旋电子 学器件和计算机元件的尺度很可能只有数十个纳 米,因此并不需要大块材料,厚度为几个到数十个纳 米的薄膜或层状材料就足够了.这些特殊的半金属 铁磁体具有很大的应用潜力,同时具有很多特别的 重要性质,因而越来越受到重视. 图1 半金属铁磁体与普通金属铁磁体、 非磁金属的态密度比较 本文介绍与半导体相容的半金属铁磁体的实验 与理论研究进展,重点介绍高精度第一原理电子结 构计算(作为与实验互补的研究方式)在相关材料研 究中的方法、 作用和结果,以及相关理论预测的可靠 性. 2
8、 实验进展与理论研究的作用 闪锌矿MnAs是最早研究的材料,理论研究从 2000年开始7,最初的理论计算结果显示,闪锌矿 MnAs材料晶格常数为5. 7!,每化学单元贡献磁距 3. 75 ,但它只是一个近似的半金属铁磁体,并不是真 正的半金属铁磁体,因为费米能级切过少数自旋导 带的底部.有几个研究组进一步探索了闪锌矿 MnAs ,以及其他Mn的V族化合物的电子结构、 磁 性与结构特性8.实验上已经能用外延生长方法在 硫钝化的GaAs(001)表面合成圆盘形闪锌矿MnAs 纳米点4,其直径为1025nm (最可几直径为 161 3nm) 、 高度为25nm ,铁磁居里温度为280 K, 远高于G
9、aMnAs稀磁半导体最好的110 K.实验本 身并没有给出晶格常数,只是由Ga1 - xMnxAs稀磁 半导体外推出一个晶格常数5. 98!,但是其外推是 由0101 x 0. 07的数据得到的,不可靠.由于闪 锌矿MnAs只能做出纳米点,而GaAs的晶格常数 是516533!,应该存在一定的晶格失配,正确的晶格 常数不会是5198!,可能只稍大于更准确的理论值 5172!. 闪锌矿CrAs是第一个可以做成薄膜和层状材 料的闪锌矿结构的材料,其实验居里温度达400 K 以上,每个CrAs化学单元贡献3个玻尔磁子的磁 距,与理论计算一致,最大厚度能做到约3nm ,约合 5个单胞层5.实验仍然不能
10、给出晶格常数,准确的 理论计算给出5. 659!,与GaAs的5. 6533! 相当, 基本上没有晶格失配.闪锌矿CrSb也以外延方式做 出来了,铁磁居里温度也在400K以上6,但结构参 数也有待更厚的薄膜或层状材料做出以后才能定 出.近期有报道称做出了厚度达24nm的CrAs薄 膜,但是已经不是闪锌矿结构了9. 由于闪锌矿结构并不是这些化合物的基态结 构,只是半稳相,实验工作的难度是非常高的.在这 种情况下,理论工作的价值就更大.通常的计算都是 在密度范函理论(DFT) 10框架下进行的 ,结构研究 以总能方法为主.改变体积或晶格常数,总能会随之 变化,其极小值就确定出平衡晶格常数,对应的极
11、小 总能就是该相的理论总能,它与基态总能之差就是 该相的半稳能量7 ,11 ,12;用这样确定的平衡晶格常 数计算出的电子结构,就是通常的理论电子结构.对 晶格形变,总能也会随之变化,由此可以研究该相的 结构稳定性12.对于实际的薄膜和层状材料,表面 或界面处偏离理想晶体的表面或界面效应通常只限 于约两个单胞层,因此,如果厚度达到5个单胞层, 其中间部分就基本上是块体晶体性质了,可以直接 与理想晶体的理论计算结果互相比较.闪锌矿 MnAs和CrAs已经达到了这个标准4 ,5. 3 过渡金属V族化合物闪锌矿相 图2说明如何从理论上决定CrSb闪锌矿相的 晶格常数(体积)和半稳能量,以及相应的磁性
12、11. 镍砷反铁磁相是CrSb的基态相,半稳能量定义为闪 83 前沿进展 物理 图2 CrSb的束缚能和磁距随体积的变化曲线其中,na指镍砷 铁磁相(空心圆)和镍砷反铁磁相(五角星 ) ,zb 指闪锌矿铁磁相 表1 V族化合物闪锌矿相的平衡晶格常数、 磁距、 半金属能隙、 半 稳能量和切变模量 材料名称 晶格常数 /! 磁距/B 半金属能隙 / eV 半稳能量 / eV 切变模量 / GPa MnAs5. 7173. 91-0. 93 CrAs5. 65930. 460. 95 CrSb6. 13830. 771 1 表2 VI族化合物闪锌矿相的平衡晶格常数、 磁距、 半金属能隙、 半 稳能量
13、和切变模量 材料名称 晶格常数 /! 磁距/B 半金属能隙 / eV 半稳能量 / eV 切变模量 / GPa CrSe5. 83340. 610. 315. 6 CrTe6. 29240. 880. 365. 5 VTe6. 27130. 310. 539. 9 图3 闪锌矿结构CrSb的能带(左起第2、 3) 和态密度(第1、4) ,包括了Sb的s态的贡献(左边是多数自旋、 右边是少数自旋) 锌矿相极小能量与镍砷相极小能量之差;闪锌矿相 的晶格常数由对应的极小体积算出,为6. 138!. 图2下半部给出了在平衡体积附近的磁距,闪锌矿 半金属相在很大的体积变化范围里都保持3B,与 镍砷相磁距
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