一種調(diào)整半金屬磁體電子能帶結(jié)構(gòu)的方法及其產(chǎn)物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自旋電子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種調(diào)整半金屬磁體電子能帶結(jié)構(gòu) 的方法及其產(chǎn)物。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料中有空穴和電荷兩種載流子，科學(xué)家們利用運兩種載流子的輸 運特性，在1947年發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，開創(chuàng)了半導(dǎo)體電子學(xué)，開啟了現(xiàn)代通信和數(shù)據(jù)處 理技術(shù)發(fā)展的大口，奠定了信息技術(shù)的基礎(chǔ)。
[0003] 然而，電子不僅有電荷，還有兩種不同的自旋狀態(tài)，即自旋向上的狀態(tài)和自旋向下 的狀態(tài)。在W往的微電子學(xué)研究中，一般是利用電子的電荷性由電場來控制電子的輸運過 程，而未考慮電子的自旋狀態(tài)。電子的自旋與物質(zhì)磁性有密切關(guān)系，磁性在信息存膽技術(shù)中 發(fā)揮著重要作用，如最早的計算機硬盤驅(qū)動器就是利用磁阻效應(yīng)。為進一步提高信息存膽 與處理技術(shù)，就必須對電子的自旋特性加W利用。充分利用電子自旋特性研制開發(fā)新一代 電子器件W便實現(xiàn)信息處理和傳輸就成為一個重要的工作。
[0004] 半金屬化曰^-1116*曰。磁性材料是一種在費米面附近自旋極化率達到100%的新 型的功能材料，不同于準金屬（semimetal)材料，在半金屬鐵磁的能帶結(jié)構(gòu)中，兩個自旋子 能帶分別具有金屬性與絕緣性，從而產(chǎn)生自旋完全極化的傳導(dǎo)電子。半金屬磁性材料還具 有磁矩量子化與零磁化率等特殊物理性質(zhì)，運些特性主要是由3d電子的交換劈裂、晶格結(jié) 構(gòu)W及成鍵性質(zhì)共同作用而引起；運些特性可導(dǎo)致許多有趣的磁性、電性及光學(xué)性質(zhì)，使其 有可能在新一代微電子設(shè)備中發(fā)揮重要作用，并為極化輸運理論及自旋電子學(xué)的研究開辟 嶄新的領(lǐng)域。 陽0化]半金屬材料在自旋電子學(xué)中具有特殊的重要性，半金屬材料研究的深入和突破， 將能推動自旋電子學(xué)應(yīng)用取得巨大進展。追溯半金屬合金發(fā)展歷程，首先得提及de Groot 等人的首創(chuàng)性工作。它們對化If-Heusler合金NiMn訊和PtMn訊利用增強平面波方作能 帶計算時，得到了一種特殊的能帶結(jié)構(gòu)。運些磁性金屬間化合物與普通的鐵磁體一樣，具有 兩個不同的自旋子能帶。但其中一個自旋子能帶（一般稱為自旋上或多數(shù)自旋子能帶）跨 過費米面呈金屬性，而對于另一個能帶（稱為自旋向下或少數(shù)自旋子能帶），費米能級恰好 落在價帶與導(dǎo)帶的能隙中，顯示出半導(dǎo)體（或絕緣體）性質(zhì)。因此，de Groot等人把具有 運種能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為"半金屬"磁體化alf-metallic magnets)，其磁性主要來源于電 子d-d雜化產(chǎn)生的交換劈裂。
[0006] 1903年德國人F.化USler報道了化zMnAl和化zMnSn系列化學(xué)配比為2:1:1的高 有序合金，測得它們室溫超過8000高斯的飽和磁矩。此后，與此類似結(jié)構(gòu)特征的合金因而 獲得了 "化usler"的名稱，一直沿用到現(xiàn)在。1934年，Bradl巧和Rogers確認CizMnAl合 金室溫下具有L2i的有序結(jié)構(gòu)，由4個體屯、晶格套嵌而成，其晶格常數(shù)為5.95 A，其L2i有 序-B2無序相變溫度大約在910°C。后續(xù)的工作也測量了化zMnAl的居里溫度、磁矩及其來 源等，表明運類合金的獨特結(jié)構(gòu)、磁性和半金屬特征。此后80年里，Heusler類合金（也稱 為化usler類化合物，包括half-Heusler合金和化usler合金，其中Heusler合金也稱為 全化usler合金）得到了廣泛的研究。相對于其它的半金屬磁性材料，Heusler類合金具 有較高的居里溫度，一般都在室溫W上，有效的防止了由于熱效應(yīng)引起的材料自旋極化率 和磁性的變化，所W具有較好的應(yīng)用前景。
[0007] Heusler類合金包括化If-Heusler合金和（全）Heusler合金的結(jié)構(gòu)如圖1所 示。別Z和化學(xué)配比的有序化If-Heusler和化USler合金一般分別具有C化和L2i的 晶體結(jié)構(gòu)，并具有F-43M和FM-3M的空間群對稱性。其中X和Y都是過渡金屬元素，如Pt、 化、Mn、Nb等，而Z則是訊、Bi、Sn等主族元素。在Wyckoff坐標中，對于half-Heusler合 金，X原子居于化0, 0)位；而對于化usler合金，X則分別居于化0, 0)和（0. 5, 0. 5, 0. 5) 位。Y和Z原子位置對于half-Heusler合金和（全）Heusler合金中都一致，分別居于 (0. 25, 0. 25, 0. 25)和（0. 75, 0. 75, 0. 75)位。
[0008] 半金屬磁體具有高磁矩、高居里溫度W及高自旋極化率等優(yōu)點，但要真正實現(xiàn)運 些基于半金屬材料中自旋極化輸運過程的磁電阻現(xiàn)象，并將其替代金屬材料應(yīng)用到實際器 件上，目前我們還面臨許多問題。其中最重要的就是半金屬的穩(wěn)定性問題，也就是半金屬的 能帶結(jié)構(gòu)問題；由于半金屬磁體能帶結(jié)構(gòu)的特點，導(dǎo)致溫度升高帶來的熱擾動、表面或雜質(zhì) 帶來的結(jié)構(gòu)缺陷等都會破壞材料的半金屬性，導(dǎo)致自旋極化率及相應(yīng)的磁電阻下降；半金 屬的穩(wěn)定性在電子結(jié)構(gòu)（即態(tài)密度和能帶）上的具體表現(xiàn)為：費米能級越靠近少數(shù)自旋子 帶的帶隙的中間，帶隙度and gap)的寬度越大，則費米能級越不容易隨著溫度等外部因素 而移出帶隙，則半金屬的穩(wěn)定性越好。W典型的半金屬C〇2化Al的能帶結(jié)構(gòu)為例（如圖2所 示），圖中縱坐標0處為費米能級的位置，從圖中可W明顯看出COzFeAl的費米能級處于自 旋向下子能帶帶隙的邊緣（價帶的頂部），而隨著溫度的變化費米能級會很容易移出帶隙 導(dǎo)致其半金屬性質(zhì)被破壞，因此，費米能級越靠近少數(shù)自旋子帶的帶隙的中間，帶隙寬度越 大，則半金屬的穩(wěn)定性越好。
[0009] 目前，研究人員主要通過滲雜來改變半金屬磁體的電子結(jié)構(gòu)，但調(diào)節(jié)自旋向下帶 隙或費米面的相對位置W提高半金屬磁體的穩(wěn)定性的收效并不顯著，需要探索適應(yīng)于調(diào)整 半金屬磁體能帶結(jié)構(gòu)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)整半金屬磁 體電子能帶結(jié)構(gòu)的方法，其中通過對關(guān)鍵的滲雜元素種類、滲雜位置、滲雜量等進行改進， 與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決自旋向下帶隙和費米能級調(diào)整困難的問題，通過調(diào)整費米能 級巧P)在帶隙中的相對位置W及帶隙的寬度，能夠調(diào)整半金屬磁體的電子能帶結(jié)構(gòu)，有效 提高半金屬磁體的穩(wěn)定性；此外，該方法還能夠提高半金屬磁體的磁矩，獲得穩(wěn)定的自旋極 化率為100%的鐵磁性材料，提高磁電阻效應(yīng)，可用于實現(xiàn)超高磁存儲密度。
[0011] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種調(diào)整半金屬磁體電子能帶 結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，通過向半金屬磁體中同時滲雜Ge元素和Te元素，W調(diào)節(jié)所述半 金屬磁體電子能帶結(jié)構(gòu)中費米能級的位置。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述半金屬磁體為半金屬Heusler合金，該半金屬 Heusler合金的Wyckoff構(gòu)型為XzYZ ;所述Ge元素和所述Te元素均為替位滲雜，并且均用 于替代所述半金屬化usler合金XzYZ Wyckoff位置中的Z位。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述Ge元素和所述Te元素的原子比為1 :1，所述Ge 元素和所述Te元素的總原子數(shù)量不超過所述半金屬化USler合金X2YZ中Z位原子數(shù)量的 50%。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述Ge元素和所述Te元素的總原子數(shù)量為所述半金 屬化USIer合金XzYZ中Z位原子數(shù)量的50 %。
[0015] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述Ge元素和所述Te元素還用于增大所述半金屬磁 體的帶隙。
[0016] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了按上述方法得到的同時滲雜有Ge元素和Te元素 的滲雜半金屬磁體。
[0017] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述滲雜半金屬磁體的帶隙大于不滲雜半金屬磁體的 帶隙。
[0018] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技