自旋半金屬材料

自旋半金屬材料又稱半金屬材料。電子在一個自旋方向上呈現金屬性，也即在費米能級處有電子態的存在；而在另一個自旋方向上呈現半導體性，也即在費米能級處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結構的材料稱為半金屬（half-metal）材料。要與傳統的半金屬（導電電子濃度遠低於正常金屬的一類物質的統稱）區分開來。

基本介紹

• 中文名：自旋半金屬材料
• 外文名：Spin half metallic materials 
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 定義：具有這種特殊能帶結構
• 半金屬性：金屬性與半導體性共存

半金屬材料簡介

1983年，荷蘭Nijimegen大學的Groot教授對half-Heusle合金NiMnSb進行能帶計算後發現其具有一種特殊的新型能帶結構，如圖所示：電子在一個自旋方向上呈現金屬性，也就是在費米能級處有電子態的存在；而在另一個自旋方向上呈現半導體性，也就是在費米能級處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結構的材料稱為半金屬（half-metal）材料。這裡所指的半金屬並不是傳統意義上的半金屬（semi-metal，如As、Sb、Bi等），傳統的半金屬是導電電子濃度遠低於正常金屬的一類物質的統稱，因其導電能力介於金屬與絕緣體之間而稱為半金屬。其能帶特點是導帶與價帶之間部分重疊，價帶電子在無需熱激發的情況下便會流入能量較低的導帶底部。而半金屬材料是電子結構同時具有金屬性與半導體性的特徵，這種微觀上金屬性與半導體性的共存被稱為半金屬性。

NiMnSb的多數白旋方向

性質

半金屬材料具有特殊的能帶結構，因此其具有一些特殊的性質：

1、它在費米能級處的電子極化率高達100% ；

2、它的總磁矩為波爾磁矩的整數倍；

3、一些半金屬鐵磁體還具有較高的居里溫度。

這些特點使半金屬材料非常適合在自旋電子器件中套用，尤其適合作為自旋注入源材料。

分類

1）以half-Heusler（半霍伊斯勒）和Heusler（全霍伊斯勒）合金為代表的三元金屬化合物：NiMnSb、PtMnSb、FeMnSb等。Half-Heusler半金屬鐵磁體材料屬於面心立方；Heusler半金屬鐵磁體具有 結構，也屬於面心立方。這兩種合金材料都具有較大的d電了交換劈裂，並引起d帶電了傾向於費米面極化。正常Heusler合金具有Oh對稱性，而Half-Heusler合金只具有Td對稱性，這種對稱性破缺的結果不僅導致時問反演對稱性的破缺（存在於所有的鐵磁材料中），而且引起空間對稱性和連線對稱性的破缺，導致較大的白旋劈裂。由於對稱性的破缺，伴隨有電了的鍵合和電了態的耦合及對點群對稱性的修正，是產生半金屬性的重要原因。

2）磁性金屬氧化物： 和 等。金紅石型 被廣泛地用作磁記錄材料。早在六七十年代，人們就對其磁學性質和光學性質做了十分詳細的研究，但直到1986年，人們才發現的能帶結構，並指出它也是一種半金屬鐵磁體，其它的一些能帶計算工作又給出了同樣的結論。美國霍布金斯大學、布朗大學和IBM公司聯合研究組用CVD法製備出單晶膜，用點接觸反射法測得該樣品的極化率高達0.96和0.984。

3）雙鈣鈦礦化合物： 、 。以 為例，這類半金屬鐵磁體的白旋向上的能態在費米面附近有一個能隙，而白旋向下的能態是金屬性的，這與其它的半金屬鐵磁體剛好相反。

4）閃鋅礦型過渡金屬硫族化合物或磷族化合物：VTe，CrSe，CrTe，CrAs，MnBi，CrSb等。研究發現，這類半金屬鐵磁體的穩定態是NiAs相，閃鋅礦相只是它們的亞穩態。三個過渡金屬硫系化合物CrTe、CrSe和VTe的閃鋅礦結構相是優質半金屬鐵磁體，不僅具有很寬的半金屬能隙，相對於基態相的總能還不高，大大低於閃鋅礦結構的過渡金屬V族化合物的相對總能，同時，其結構穩定性明顯優於己經較好地合成出來的CrAs閃鋅礦結構薄膜（最大約5個單胞層厚）。很寬的半金屬能隙意味著可能在較高溫度下得到高自旋極化率，這已被德國Kübler教授的最新計算所證明：相對總能低並且結構穩定性好，使得足夠厚度（約5至50個單胞層）的薄膜材料或尺度足夠大的納米結構易於通過外延生長技術獲得。這些優異特性使得這些材料將很可能在納米尺度的自旋電子學器件中得到實際套用。