CN100392774C

CN100392774C - 具有高自旋极化率的半金属磁性材料

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Publication number: CN100392774C
Application number: CNB2005101091668A
Authority: CN
Inventors: 刘国栋; 代学芳; 柳祝红; 朱志永; 陈京兰; 吴光恒
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: CN1750181A

Abstract

本发明涉及一系列具有高自旋极化率的金属磁性材料，该系列材料具有化学式：Mn_xCo_yN_zM_w，其中，N是III-V族元素，如：Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等的一种或多种，M为过渡族元素，如：V，Cr，Fe，Ni等的一种或多种；2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。所述的Mn_xCo_yN_zM_w系列材料：自旋极化率最高的为100%，是典型的半金属磁性材料，最低的自旋极化率是80%。

Description

具有高自旋极化率的半金属磁性材料

技术领域

本发明一般涉及高自旋极化率材料，特别是涉及具有自旋极化率接近百分之百的半金属磁性材料。

背景技术

电子是电荷与自旋的统一载体，具有自旋属性的电子在传导过程中，当材料尺度和物理的特征长度相当时，能够表现出独特的物理效应，例如巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻、超大磁电阻效应和自旋转移等。在过去的100年中，以电场控制电子电荷的输运过程为基本原理的微电子学，已经全面地改变了人们的日常生活，那么，是否可以通过控制电子的另一属性一自旋，来实现对其输运行为的操纵，从而创造新的信息时代呢？在自旋电子学领域已经取得的诸多科研成果和工业应用事实表明，这样一种希望是非常现实的，而且将是21世纪信息科学等高科技领域一个有重大突破的关健所在。高自旋极化率材料的应用会极大促进计算机存储器方面的发展。巨磁电阻是自旋电子学的范例，它迅速从物理发现到材料制备，直至最后器件产业化：自1988年发现这种新材料以来，计算机信息存储技术进入了GNR时代(IBM公司语)。例如，计算机硬盘在使用GMR读出头后，其记录密度提高近500倍。但这些自旋电子学功能器件都要求材料在Fermi能级附近分别具有自旋向上与自旋向下的电子数目不平衡，而且这种不平衡越严重越有利，也即要求材料的自旋极化率越高越好。

电子自旋是与材料的磁性相关的。一个电子的自旋可以看作是一些具有极性的微小的磁体。电子的自旋可以自旋向上(↑)与自旋向下(↓)。利用材料中具有向上和向下电子数目的百分数可以描述自旋极化率P。例如：Cu的自旋极化率为0，普通磁性材料的P约为40％。

在上世纪八十年代，荷兰学者Groot等经过理论计算，发现了一种新型的磁性材料，他们称之为“半金属”。这种新材料独特之处在于它只有一种自旋方向是金属的，也就是说，所有表现出金属性质的电子都具有相同的自旋取向，而另一种相反的自旋取向则表现出绝缘或半导体性质。理论上，这种半金属材料可以具有100％的高自旋极化率。具有100％P的材料中所有电子具有相同的自旋取向，都向上或都向下，按照能带理论，这意味着这种材料中只存在一种自旋几率，也就是只具有一种自旋能带，而另一种自旋能带为空。而对于普通金属两种自旋能带是同时存在的，这也是这种材料被称为半金属的原因。因而，在通常的情况下能态密度成为半金属材料判断标准。对于Heusler型半金属，在T＝0K时，其自旋磁矩正好是整数倍的Bohr磁子。这是因为在这种材料中，总的自旋数目N＝N↑+N↓是整数；而在计入能隙区的情况下，每一种自旋取向，即N↑和N↓也都为整数；所以N↑-N↓也必然是一整数，此时如果忽略自旋-轨道耦合造成的附加磁矩，那么就会测量到一个整数或者非常接近整数的自旋磁矩。但需注意的是，利用这种以整数自旋磁矩作为半金属判据是必要的，但并不充分。

发明内容

本发明的目的是为了寻找具有高自旋极化率的新型功能材料，特别是寻找新的具有自旋极化率高达百分之百的半金属磁性材料，从而提供一系列新的具有高自旋极化率的磁性材料。

本发明提供具有高自旋极化率的半金属磁性材料，具有如下化学式Mn_xCo_yN_zM_w，其中，

N是III-V族元素，如：Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等的一种或多种，M为过渡族元素，如：V，Cr，Fe，Ni等的一种或多种；

2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。

所述的Mn_xCo_yN_zM_w系列合金是一批具有高自旋极化率的合金磁性材料，该系列材料中最高的理论计算自旋极化率达到100％，是典型的半金属磁性材料，最低的自旋极化率为90％。其实验测量数据最高为97％，最低为80％。

附图说明

图1是Mn₂CoAl合金的计算能态密度(DOS)曲线。

图2是Mn₂CoSb合金的计算能态密度(DOS)曲线。

图3是Mn₂Co_0.9Fe_0.1Ga合金的计算能态密度(DOS)曲线。

具体实施方式

实施例1：

按照化学式Mn₂CoAl称取Mn、Co和Al，然后将其混合后利用常规电弧熔炼的方法进行反复熔炼，使样品均匀。其制备条件为：抽真空到1×10^-1-1×10^-6Pa后充入氩气，在0.01到1MPa正压力或者流动氩气的保护下进行电弧熔炼。

材料化学式为Mn₂CoAl的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例2：

按照化学式Mn₂CoGa称取Mn、Co和Ga，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoGa的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例3：

按照化学式Mn₂CoSi称取Mn、Co和Si，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoSi的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例4：

按照化学式Mn₂CoIn称取Mn、Co和In，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoIn的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例5：

按照化学式Mn₂CoGe称取Mn、Co和Ge，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoGe的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表2。

实施例6：

按照化学式Mn₂CoSn称取Mn、Co和Sn，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoSn的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例7：

按照化学式Mn₂CoSb称取Mn、Co和Sb，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoSb的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例8：

按照化学式Mn_2.2Co_0.8Sb称取Mn、Co和Sb，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn_2.2Co_0.8Sb的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例9：

按照化学式Mn₂Co_0.8Cr_0.2Al称取Mn、Co、Cr和Al，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂Co_0.8Cr_0.2Al的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例10：

按照化学式Mn₂Co_0.9Fe_0.1Ga称取Mn、Co、Fe和Ga，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂Co_0.9Fe_0.1Ga的磁性合金；计算获得的自旋极化率93％。其计算所得能态密度曲线形状见图3。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例11：

按照化学式Mn₂Co_0.5V_0.5Al称取Mn、Co、V和Al，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂Co_0.5V_0.5Al的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例12：

按照化学式Mn₂Co_0.8Ni_0.2Sb称取Mn、Co、Ni和Sb，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂Co_0.8Ni_0.2Sb的磁性合金；计算获得的自旋极化率为92％。其计算所得能态密度曲线形状见图3。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例13：

按照化学式Mn₂CoSb_0.8In_0.2称取Mn、Co、Sb和In，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoSb_0.8In_0.2的磁性合金；计算获得的自旋极化率为91％。其计算所得能态密度曲线形状见图3。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例14：

按照化学式Mn₂CoSb_0.3Al_0.7称取Mn、Co、Sb和Al，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂CoSb_0.3Al_0.7的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例15：

按照化学式Mn_1.8CoGe_1.2称取Mn、Co和Ge，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn_1.8CoGe_1.2的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例16：

按照化学式Mn₂Co_1.1Si_0.9称取Mn、Co和Si，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn₂Co_1.1Si_0.9的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

实施例17

按照化学式Mn_1.8Co_1.1Si_0.9Sb_0.2称取Mn、Co、Si和Sb，制备工艺同实施例1。

材料化学式为Mn_1.8Co_1.1Si_0.9Sb_0.2的磁性合金；计算获得的自旋极化率为90％。其计算所得能态密度曲线形状见图3。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。

样品	成分	计算P值	测量P值	测量饱和磁化强度(μ<sub>B</sub>)
样品	成分	计算P值	测量P值	测量饱和磁化强度(μ<sub>B</sub>)	1	Mn2CoAl	100％	96.2％	1.98
2	Mn2CoGa	100％	95.1％	2.01	1	Mn2CoAl	100％	96.2％	1.98
2	Mn2CoGa	100％	95.1％	2.01	3	Mn2CoSi	100％	94.6％	1.98

4	Mn2CoIn	100％	95％	2.99
4	Mn2CoIn	100％	95％	2.99	5	Mn2CoGe	100％	95.3％	2.99
6	Mn2CoSn	100％	94.9％	3.01	5	Mn2CoGe	100％	95.3％	2.99
6	Mn2CoSn	100％	94.9％	3.01	7	Mn2CoSb	100％	96.1％	3.98
8	Mn<sub>2.2</sub>Co<sub>0.8</sub>Sb	100％	96％	3.97	7	Mn2CoSb	100％	96.1％	3.98
8	Mn<sub>2.2</sub>Co<sub>0.8</sub>Sb	100％	96％	3.97	9	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.8</sub>Cr<sub>0.2</sub>Al	100％	94.1％	1.99
10	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.9</sub>Fe<sub>0.1</sub>Ga	93％	85％	1.95	9	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.8</sub>Cr<sub>0.2</sub>Al	100％	94.1％	1.99
10	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.9</sub>Fe<sub>0.1</sub>Ga	93％	85％	1.95	11	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.5</sub>V<sub>0.5</sub>Al	100％	93％	1.99
12	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.8</sub>Ni<sub>0.2</sub>Sb	92％	89％	3.99	11	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.5</sub>V<sub>0.5</sub>Al	100％	93％	1.99
12	Mn<sub>2</sub>Co<sub>0.8</sub>Ni<sub>0.2</sub>Sb	92％	89％	3.99	13	Mn<sub>2</sub>CoSb<sub>0.8</sub>In<sub>0.2</sub>	91％	85％	3.90
14	Mn<sub>2</sub>CoSb<sub>0.3</sub>Al<sub>0.7</sub>	100％	94％	2.98	13	Mn<sub>2</sub>CoSb<sub>0.8</sub>In<sub>0.2</sub>	91％	85％	3.90
14	Mn<sub>2</sub>CoSb<sub>0.3</sub>Al<sub>0.7</sub>	100％	94％	2.98	15	Mn<sub>1.8</sub>CoGe<sub>1.2</sub>	100％	95％	2.99
16	Mn<sub>2</sub>Co<sub>1.1</sub>Si<sub>0.9</sub>	100％	95％	2.99	15	Mn<sub>1.8</sub>CoGe<sub>1.2</sub>	100％	95％	2.99
16	Mn<sub>2</sub>Co<sub>1.1</sub>Si<sub>0.9</sub>	100％	95％	2.99	17	Mn<sub>1.8</sub>Co<sub>1.1</sub>Si<sub>0.9</sub>Sb<sub>0.2</sub>	90％	80％	2.96

表1

Claims

1.一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料，其特征在于：具有如下组成：Mn_xCo_yN_zM_w，其中，

N是III-V族元素Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb中的一种或多种，M是过渡族元素V，Cr，Fe，Ni中的一种或多种；

2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。