幾類半金屬材料的物性研究.pdf

1、人們期待同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩個(gè)內(nèi)稟屬性制造出新一代電子器件，同時(shí)也把此領(lǐng)域的研究工作稱為自旋電子學(xué)。實(shí)現(xiàn)自旋調(diào)控、磁與電有機(jī)結(jié)合的目的，就需要將單一自旋注入到電子材料里。因此，從材料研究者角度講，搜尋這種單一自旋的材料或者具有高自旋極化率的材料顯得尤為重要。其中一類重要的材料是所謂的“半金屬材料”，理論上其費(fèi)米能級(jí)處的電子只有單一的自旋方向，即100[％]的自旋極化，所以這是一類具有潛在應(yīng)用前景的自旋電子材料。由于“半金屬”這個(gè)概

2、念是在能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算中發(fā)現(xiàn)的，所以從理論計(jì)算上預(yù)言半金屬材料始終是此領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方法。同時(shí)實(shí)驗(yàn)工作者也在通過各種方法合成理論上預(yù)言過的半金屬材料，并測試其自旋極化率以及其它各種物性。本文主要采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法，研究了Heusler 合金與閃鋅礦(zinic-blende)型二元化合物這兩類半金屬材料的結(jié)構(gòu)特性、電子特性以及磁特性。本文的實(shí)驗(yàn)工作主要作為理論工作的一個(gè)補(bǔ)充，嘗試用電弧熔煉的方法對(duì)理論計(jì)算過

3、的所有化合物進(jìn)行合成，并分析其成相特點(diǎn)。
　　 第一性原理計(jì)算結(jié)果表明：兩個(gè)系列Heusler 合金Cr2TiX(X=Al，Ga，Si，Ge，Sn，Sb)和Cr2VZ(Z=Ga，Si，Ge，Sb)中，只有Cr2TiSb和Cr2VSb的自旋極化率為100[％]，呈現(xiàn)半金屬性，其原胞磁矩分別為負(fù)整數(shù)的-2.0μB和-3.0μB，此結(jié)果符合slater-pauling(SP)定律。Cr2TiGa，Cr2TiSn，Cr2VSi和Cr2V

4、Ge的自旋極化率很高，但不是100[％]，可以稱為準(zhǔn)半金屬。此外，低價(jià)過渡元素V 呈現(xiàn)較大的磁矩(2.0μB左右)，從電子結(jié)構(gòu)上看大的交換劈裂導(dǎo)致了其較大的原子磁矩。
　　 Cr2MnAl的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)是Hg2CuTi-型的L21 結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有半金屬性，總磁矩為-2.0μB。在B和D 子晶格間交換1個(gè)原子并未改變其半金屬性，而交換2個(gè)原子則使其失去半金屬性。此外，(A，C)位原子的電子結(jié)構(gòu)主要受最近鄰原子配位影響，而B 位原子

5、的電子結(jié)構(gòu)主要受次近鄰原子配位影響。
　　 Mn摻雜的DO3-型Heusler 合金(Cr1-xMnx)3Al(x=n/12，n=0，2，4，6，8，10，12)中，x=2/12，4/12，6/12，8/12，1 這五種化合物呈現(xiàn)半金屬性。Mn 原子優(yōu)先占據(jù)(A，C)位，(A，C)位占滿后再占據(jù)B 位，并且趨向于原子平均分配后進(jìn)入A和C 兩個(gè)子晶格從而形成一個(gè)均勻結(jié)構(gòu)。
　　 由于B位原子相對(duì)于(A，C)原子的配位原子對(duì)

6、稱性更高，所以其具有典型的3d電子劈裂峰。
　　 Heusler 合金Co2YBi half-Heusler合金CoYBi(Y=Mn，Cr)中，Co2MnBi和Co2CrBi呈現(xiàn)半金屬性。Co2MnBi和Co2CrBi的總磁矩和原子磁矩在從晶格收縮到膨脹的1.3范圍內(nèi)連續(xù)的增加，然而CoMnBi和CoCrBi的總磁矩基本上保持在一個(gè)穩(wěn)定的值上。Mn(Cr)和Co原子的3d電子劈裂隨著晶格膨脹而加強(qiáng)，從而導(dǎo)致原子磁矩也隨之增加。此

7、外，原子配位環(huán)境對(duì)電子的劈裂具有重要影響。
　　 Zinc-blende(ZB)結(jié)構(gòu)MnSn呈現(xiàn)半金屬性，并且從晶格收縮5％到膨脹3％的范圍內(nèi)一直保持這種特性不變。ZB 結(jié)構(gòu)MnC在晶格收縮5[％]的情況下呈現(xiàn)半金屬性，并且一直到晶格收縮到16％的范圍內(nèi)一直保持這種特性。MnSn的帶隙來源于大的eg 軌道的交換劈裂，而MnC的帶隙則源于大的成鍵與反鍵劈裂。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Cr2TiAl合金成純B2相，Cr2TiGa