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什么是半金属磁体?
来源:未知 日期:2019-12-28 16:20

  半金属磁体是近些年来日益受到关注的一种新材料,也是物质具有一种新形态,在半金属磁体的能带结构中,两个自旋子能带分别具有金属性与绝缘性,从而产生自旋完全极化的传导电子,这一特性使它有可能在新一代微电子设备中发挥重要作用,并为极化输运理论及自旋电子学的研究开辟崭新的领域.

  展开全部与重要半导体相容的高自旋极化率磁性材料被认为是未来纳米尺度上的自旋电子器件的理想组件,但是这就要求当器件尺寸降到纳米尺度时相应材料仍然具有高自旋极化率和优良的结构和性能稳定性。在这方面,与III-V或II-VI半导体相容的半金属(half-metallic)铁磁体明显优于稀磁半导体,因为尺度降到纳米量级后稀磁半导体内磁性原子太少而导致性能下降,甚至消失。探索合适的半金属铁磁材料显得至关重要。

  物理所刘邦贵研究员与牛津大学David G Pettifor教授合作,在这方面取得了显著的进展。他们先期用准确的第一原理密度范函理论方法首先证明:闪锌矿结构的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003);cond-mat/0206485),以及MnBi(Physical Review B 66,184435 (2002))具有良好的半金属铁磁性,并且研究了相应半金属铁磁性的形成机理。在此基础上,他们基于准确系统的电子结构和形变结构计算进一步证明:三个过渡金属硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相是优质半金属铁磁体,不仅具有很宽的半金属能隙(half-metallicgap),相对于基态相的总能还不高,大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物(pnictides)的相对总能,同时,其结构稳定性明显优于已经较好地合成出来的CrAs闪锌矿结构薄膜(最大约5个单胞层厚)。很宽的半金属能隙意味着可能在较高温度下得到高自旋极化率,这已被德国Kuebler教授的最新计算所证明;相对总能低并且结构稳定性好,使得足够厚度(约5~50个单胞层)的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构易于通过外延生长技术获得。这些优异特性使得这些材料将很可能在纳米尺度的自旋电子学器件中得到实际应用。

  该项研究得到973“纳米材料与纳米结构”项目(G1999064509)、基金委优秀团队项目(60021403)支持,这项研究成果发表在2003年7月15日出版的美国《物理评论快报》PhysicalReviewLetters91,037204(2003)上。进一步的研究正在进行之中。

  展开全部7月15日,中国科学院物理研究所研究员刘邦贵等在美国《物理评论快报》上报告:通过与英国同行合作研究,发现三种硫系化合物材料在纳米尺度上仍保持自旋取向的高度一致,并具有优良的结构及性能稳定性,该成果有望在纳米尺度自旋电子学器件中得到实际应用。

  据介绍,电子可被束缚在原子核周围,也可在导体中流动;它不仅带一个单位的负电荷,同时具有自旋自由度,自旋取向可向上或向下。传统电子学的信息载体是半导体材料中的电子电荷,电子自旋随机取向并不携带信息;自旋电子学则通过操纵电子自旋来进行信息处理,进而可能产生结合标准半导体微电子学并依赖于电子自旋效应的新一代电子器件。

  刘邦贵说,计算机芯片目前已达到亚微米尺度,为提高信息存储和处理能力,器件尺寸势必小到数十纳米、甚至几个纳米。这对相关材料提出了很高要求,要求它们在器件尺寸降到纳米尺度时,仍能保持自旋取向的高度一致和优良的结构及性能稳定性。此时稀磁半导体已很难维持其性能,与半导体相容的半金属铁磁体,则因自旋完全或近似完全极化,被认为是未来纳米尺度自旋电子学器件的理想组件。

  刘邦贵认定:纳米尺度自旋电子学材料研究,最可能在半金属铁磁上取得突破;探索这种材料在纳米尺度上的优异性能和稳定结构是关键所在。在“973”计划等相关基金支持下,他与英国牛津大学教授Pettifor合作,借助对方在材料结构研究方面的经验,展开了相关研究。

  由于性能优越的III-V和II-VI族半导体大都是闪锌矿结构,研究重点放在了闪锌矿结构的半金属铁磁体上。目前过渡金属V和VI族化合物的闪锌矿相中,只有MnAs、CrAs和CrSb合成成功。国际上研究最多的MnAs并不是真正的半金属铁磁体,只近似具有相关电子结构属性;CrAs则被证明是较好的半金属铁磁体。2002年,刘邦贵计算证明,闪锌矿CrSb具有良好的半金属铁磁性。但即使是合成得最好的CrAs,做成的厚度仍达到5个单胞的薄膜和薄层材料,不足以维持优异的材料性能。

  为此,刘邦贵将注意力投向过渡金属硫系化合物。他和学生谢文辉、徐雅琼一起,对所有硫系化合物闪锌矿相进行系统的“高精度第一原理”电子结构和形变结构计算研究,发现三个硫系化合物CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相都是优质半金属铁磁体。它们不仅具有很宽的半金属能隙,相对于基态相的总能大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物,结构稳定性也明显优于已合成的闪锌矿结构CrAs薄膜。

  据了解,最新计算证明,半金属能隙宽意味着可能在较高温度下得到高度一致的自旋取向;相对总能低且结构稳定性好,就容易用外延生长技术获得厚度足够(约5~50个单胞层)的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构。

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