CN105405968A - 一种调整半金属磁体电子能带结构的方法及其产物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调整半金属磁体电子能带结构的方法及其产物，其中调整半金属磁体电子能带结构的方法是通过向半金属磁体中同时掺杂Ge元素和Te元素，以调节所述半金属磁体电子能带结构中费米能级的位置，从而起到调整半金属磁体电子能带结构的作用。本发明通过对关键的掺杂元素种类、掺杂位置、掺杂量等进行改进，能够调整费米能级在带隙中的相对位置以及带隙的宽度，并提高半金属磁体的稳定性。通过本发明方法得到的掺杂半金属磁体，其费米能级接近带隙的中间，且自旋向下的带隙被扩大，是一种更加稳定的自旋极化率为100％的铁磁性材料，可显著提高器件的磁电阻效应。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种调整半金属磁体电子能带结构的方法及其产物。
背景技术
传统的半导体材料中有空穴和电荷两种载流子，科学家们利用这两种载流子的输运特性，在1947年发明了半导体晶体管，开创了半导体电子学，开启了现代通信和数据处理技术发展的大门，奠定了信息技术的基础。
然而，电子不仅有电荷，还有两种不同的自旋状态，即自旋向上的状态和自旋向下的状态。在以往的微电子学研究中，一般是利用电子的电荷性由电场来控制电子的输运过程，而未考虑电子的自旋状态。电子的自旋与物质磁性有密切关系，磁性在信息存贮技术中发挥着重要作用，如最早的计算机硬盘驱动器就是利用磁阻效应。为进一步提高信息存贮与处理技术，就必须对电子的自旋特性加以利用。充分利用电子自旋特性研制开发新一代电子器件以便实现信息处理和传输就成为一个重要的工作。
半金属(half-metal)磁性材料是一种在费米面附近自旋极化率达到100％的新型的功能材料，不同于准金属(semimetal)材料，在半金属铁磁的能带结构中，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。半金属磁性材料还具有磁矩量子化与零磁化率等特殊物理性质，这些特性主要是由3d电子的交换劈裂、晶格结构以及成键性质共同作用而引起；这些特性可导致许多有趣的磁性、电性及光学性质，使其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。
半金属材料在自旋电子学中具有特殊的重要性，半金属材料研究的深入和突破，将能推动自旋电子学应用取得巨大进展。追溯半金属合金发展历程，首先得提及deGroot等人的首创性工作。它们对Half-Heusler合金NiMnSb和PtMnSb利用增强平面波方作能带计算时，得到了一种特殊的能带结构。这些磁性金属间化合物与普通的铁磁体一样，具有两个不同的自旋子能带。但其中一个自旋子能带(一般称为自旋上或多数自旋子能带)跨过费米面呈金属性，而对于另一个能带(称为自旋向下或少数自旋子能带)，费米能级恰好落在价带与导带的能隙中，显示出半导体(或绝缘体)性质。因此，deGroot等人把具有这种能带结构的物质称为“半金属”磁体(half-metallicmagnets)，其磁性主要来源于电子d-d杂化产生的交换劈裂。
1903年德国人F.Heusler报道了Cu2MnAl和Cu2MnSn系列化学配比为2:1:1的高有序合金，测得它们室温超过8000高斯的饱和磁矩。此后，与此类似结构特征的合金因而获得了“Heusler”的名称，一直沿用到现在。1934年，Bradley和Rogers确认Ci2MnAl合金室温下具有L21的有序结构，由4个体心晶格套嵌而成，其晶格常数为其L21有序-B2无序相变温度大约在910℃。后续的工作也测量了Cu2MnAl的居里温度、磁矩及其来源等，表明这类合金的独特结构、磁性和半金属特征。此后80年里，Heusler类合金(也称为Heusler类化合物，包括half-Heusler合金和Heusler合金，其中Heusler合金也称为全Heusler合金)得到了广泛的研究。相对于其它的半金属磁性材料，Heusler类合金具有较高的居里温度，一般都在室温以上，有效的防止了由于热效应引起的材料自旋极化率和磁性的变化，所以具有较好的应用前景。
Heusler类合金包括Half-Heusler合金和(全)Heusler合金的结构如图1所示。XYZ和X2YZ化学配比的有序Half-Heusler和Heusler合金一般分别具有Clb和L21的晶体结构，并具有F-43M和FM-3M的空间群对称性。其中X和Y都是过渡金属元素，如Pt、Ni、Mn、Nb等，而Z则是Sb、Bi、Sn等主族元素。在Wyckoff坐标中，对于half-Heusler合金，X原子居于(0,0,0)位；而对于Heusler合金，X则分别居于(0,0,0)和(0.5,0.5,0.5)位。Y和Z原子位置对于half-Heusler合金和(全)Heusler合金中都一致，分别居于(0.25,0.25,0.25)和(0.75,0.75,0.75)位。
半金属磁体具有高磁矩、高居里温度以及高自旋极化率等优点，但要真正实现这些基于半金属材料中自旋极化输运过程的磁电阻现象，并将其替代金属材料应用到实际器件上，目前我们还面临许多问题。其中最重要的就是半金属的稳定性问题，也就是半金属的能带结构问题；由于半金属磁体能带结构的特点，导致温度升高带来的热扰动、表面或杂质带来的结构缺陷等都会破坏材料的半金属性，导致自旋极化率及相应的磁电阻下降；半金属的稳定性在电子结构(即态密度和能带)上的具体表现为：费米能级越靠近少数自旋子带的带隙的中间，带隙(Bandgap)的宽度越大，则费米能级越不容易随着温度等外部因素而移出带隙，则半金属的稳定性越好。以典型的半金属Co2FeAl的能带结构为例(如图2所示)，图中纵坐标0处为费米能级的位置，从图中可以明显看出Co2FeAl的费米能级处于自旋向下子能带带隙的边缘(价带的顶部)，而随着温度的变化费米能级会很容易移出带隙导致其半金属性质被破坏，因此，费米能级越靠近少数自旋子带的带隙的中间，带隙宽度越大，则半金属的稳定性越好。
目前，研究人员主要通过掺杂来改变半金属磁体的电子结构，但调节自旋向下带隙或费米面的相对位置以提高半金属磁体的稳定性的收效并不显著，需要探索适应于调整半金属磁体能带结构的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种调整半金属磁体电子能带结构的方法，其中通过对关键的掺杂元素种类、掺杂位置、掺杂量等进行改进，与现有技术相比能够有效解决自旋向下带隙和费米能级调整困难的问题，通过调整费米能级(EF)在带隙中的相对位置以及带隙的宽度，能够调整半金属磁体的电子能带结构，有效提高半金属磁体的稳定性；此外，该方法还能够提高半金属磁体的磁矩，获得稳定的自旋极化率为100％的铁磁性材料，提高磁电阻效应，可用于实现超高磁存储密度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，通过向半金属磁体中同时掺杂Ge元素和Te元素，以调节所述半金属磁体电子能带结构中费米能级的位置。
作为本发明的进一步优选，所述半金属磁体为半金属Heusler合金，该半金属Heusler合金的Wyckoff构型为X2YZ；所述Ge元素和所述Te元素均为替位掺杂，并且均用于替代所述半金属Heusler合金X2YZWyckoff位置中的Z位。
作为本发明的进一步优选，所述Ge元素和所述Te元素的原子比为1：1，所述Ge元素和所述Te元素的总原子数量不超过所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％。
作为本发明的进一步优选，所述Ge元素和所述Te元素的总原子数量为所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％。
作为本发明的进一步优选，所述Ge元素和所述Te元素还用于增大所述半金属磁体的带隙。
按照本发明的另一方面，提供了按上述方法得到的同时掺杂有Ge元素和Te元素的掺杂半金属磁体。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂半金属磁体的带隙大于不掺杂半金属磁体的带隙。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过向半金属磁体中同时掺杂Ge元素和Te元素，改变半金属磁体的电子结构，能够调节所述半金属磁体电子能带结构中费米能级的位置，以及扩大半金属磁体自旋向下的带隙，增大了磁矩，从而调整半金属磁体电子能带结构，并提高其半金属磁体其半金属特性的稳定性。本发明在保证了半金属磁体基本的半金属性质的基础上，提高了其半金属性稳定性，即随着温度的波动不容易失去其100％自旋极化率。掺杂的Ge元素和Te元素优选为替位掺杂，尤其是替代半金属Heusler合金X2YZ中的Z位(该Z位满足Wyckoff坐标中的定义，即，Wyckoff构型中的(0.75,0.75,0.75)位)。Ge元素和Te元素的原子比为1：1，Ge元素和Te元素的总原子数量不超过所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％，其中，掺杂量为50％的掺杂半金属磁体其费米能级最接近带隙的中间，具有最优的效果。
通过本发明方法得到的掺杂半金属磁体，其费米能级接近带隙的中间，且自旋向下的带隙被扩大，是一种更加稳定的自旋极化率为100％的铁磁性材料；将其作为铁磁层应用于自旋阀和磁隧道结中时，可以显著提高器件的磁电阻效应，并最终实现超高磁存储密度。
附图说明
图1是Half-Heusler合金和(全)Heusler合金的结构；
图2是典型半金属Co2FeAl的能带结构；
图3是本发明实施例1中所述Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的计算模型，其中(a)图为理想Co2FeAl模型，(b)图为GeTe掺杂的Co2FeAl模型；其中，(b)图显示为Te粒子替代Z位(即Al位)后的模型图形；
图4是本发明实施例1中所述Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的态密度；
图5是本发明实施例1中所述Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的能带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了验证掺杂对半金属磁体性能的影响，本发明通过第一性原理计算来研究GeTe掺杂对半金属电子结构和磁性能的影响。
具体而言，以下具体实施例中的计算方法如下：
密度泛函(DFT)下的广义梯度近似(GGA)是目前较为准确的电子结构计算的理论方法它是电子密度及其梯度的泛函，并把密度分布的空间变化包括在方法之中，实现了可较大幅度减少LDA误差的目的。我们采用LSDA+U的方法(可以参见例如BenjaminBalke,GerhardH.Fecher,HemC.Kandpal,andClaudiaFelser,“Propertiesofthequaternaryhalf-metal-typeHeusleralloyCo2Mn1-xFexSi,”Phys.Rev.B,vol.74,p.104405,Sep.2006)来计算半金属的态密度和能带结构，其中Co和Fe的U值分别为1.904eV和1.7952eV。离子和电子间的相互作用采用投影扩充波函数(PAW)来处理。这种方法可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量，并且对于磁性化合物而言,投影扩充波函数优于超软赝势方法。
本发明中计算半金属的电子结构和磁学性质的方法，具体包括以下步骤：
(1)建立理想的半金属模型(即没有晶格缺陷的、未掺杂的半金属模型)以及掺杂之后的半金属模型；
(2)对上述两个模型进行结构优化，即优化晶格常数和原子位置使得模型达到最稳定的状态(即能量最低的状态)；
(3)计算电荷密度和波函数；
(4)计算态密度(DOS)和能带。
计算所述的半金属以及掺杂的半金属的电子结构以及磁性能用Vienna从头算起模拟程序包(VASP)进行计算，具体为：
1)平面波截断能取500eV；
2)k点网孔用Monkhorst-Pack方法产生，弛豫和静态计算以及态密度和能带计算时使用15×15×15个k网格；
3)自洽精度中总能量的收敛精度是1.0×10-5eV，结构的收敛精度是
实施例1
向半金属磁体Co2FeAl中同时掺杂Ge元素和Te元素，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的原子比为1：1，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数量为对应未掺杂Co2FeAl中Al元素原子数量的50％，且均用于替代Co2FeAlWyckoff位置中的Z位原子Al原子(也就是说，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数占未掺杂Co2FeAlWyckoff位置中的Z位原子原子比例的50％；由于掺杂的Ge原子和Te原子是取代Al原子形成新的Z位原子，因此，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数占半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％)。
本实施例通过第一性原理计算典型的半金属Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的电子结构和磁学性质，来得到GeTe掺杂对Co2FeAl半金属稳定性以及磁学性质的影响。
本实施例所述Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的计算模型如图3所示。图3(a)是Co2FeAl模型，图3(b)是GeTe替代了Co2FeAl中Al原子(对应Heusler合金X2YZWyckoff位置中的Z位)的模型。
图4是计算得出的Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的态密度图。从图中可以明显看出，掺杂之前Co2FeAl的EF在价带的顶部，很容易随着温度的波动而移出带隙从而导致半金属性质被破坏。而掺杂了GeTe之后的Co2FeAl的态密度有一条EF处为0，从而在EF处显示出100％的自旋极化率的半金属特性。因此首先可以肯定的是向Co2FeAl中掺杂GeTe并没有改变其半金属特性。并且，GeTe掺杂的Co2FeAl的EF则正好位于带隙的中间，不容易因为温度的波动而移出带隙范围。因此向Co2FeAl中掺杂GeTe可以提高Co2FeAl半金属的稳定性。
图5是计算得出的Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的能带结构图。从能带结构图中同样很容易看出掺杂前后的Co2FeAl都的多数自旋子能带都穿过EF而呈现金属性，而另外一条少数自旋子能带使得EF处于其带隙中而呈现半导体性(或绝缘体性)。同时，从能带结构图从业可以看出Co2FeAl的带隙宽度是0.74eV，而GeTe掺杂的Co2FeAl的带隙宽度是1.01eV，相比掺杂之前有大幅度增大。因此我们可以得出向Co2FeAl中掺杂GeTe可以增大Co2FeAl的带隙宽度。
表1是Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的磁矩变化。从表中可以看出掺杂GeTe之后Co原子和Fe原子的磁矩都有增大。同时，掺杂前后的总磁矩分别为4.99μB和6μB。总磁矩都近似于整数，符合半金属的性质。而GeTe掺杂有利于半金属磁矩的增大。
表1Co2FeAl以及GeTe掺杂的Co2FeAl的磁矩
本实施例说明GeTe掺杂可以很好的提高Co2FeAl半金属的稳定性，同时增大带隙宽度以及增大磁矩。
本发明提供的GeTe掺杂的半金属与未掺杂的半金属相比，可以有效提高半金属的稳定性，同时增大半金属的带隙宽度以及磁矩。为半金属在自旋电子器件中的应用提供更大的可能性。
掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数量与半金属Co2FeAl中Al元素的原子数量的比值还可以是其他数值，只要它们的总原子数量不超过所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％就行(可以是例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％或45％)。如图4和图5所示，50％掺杂不会直接参与X、Y位原子的轨道杂化和磁耦合，但是可以间接促成费米能级相对带隙的移动和带隙宽度的改变。掺杂量低于50％的也具有相似的效果，只是费米能级相对带隙的移动和带隙宽度的改变的程度不同；而高于50％的掺杂，可能由于掺杂量过大难以达到微小调整合金电子结构以稳定半金属性的目的，甚至可能破坏半金属性质，因此不采用。
实施例2
本实施例通过第一性原理计算另一种典型的全Heusler合金Co2MnAl以及Ge、Te同时掺杂的Co2MnAl的电子结构和磁学性质，来得到Ge、Te掺杂对Co2MnAl半金属稳定性的影响。掺杂Ge元素和掺杂Te元素的原子比为1：1，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数量为未掺杂Co2MnAl中Al元素原子数量的50％，且均用于替代Co2MnAlWyckoff位置中的Z位原子Al原子。
通过第一性原理计算的态密度可以看出掺杂之前Co2MnAl的EF在价带的顶部，很容易随着温度的波动而移出带隙从而导致半金属性质被破坏。而掺杂了GeTe之后的Co2MnAl的态密度有一条EF处为0，从而在EF处显示出100％的自旋极化率的半金属特性。因此首先可以肯定的是向Co2MnAl中掺杂GeTe并没有改变其半金属特性。并且，GeTe掺杂的Co2MnAl的EF则正好位于带隙的中间，不容易因为温度的波动而移出带隙范围。因此向Co2MnAl中掺杂GeTe可以提高Co2MnAl半金属的稳定性。
与实施例1相似，本实施例中掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总掺杂量也可采用不超过50％的其他数值。
实施例3
实施例3是针对half-Heusler合金进行掺杂。
本实施例通过第一性原理计算half-Heusler合金TiNiSn以及Ge、Te同时掺杂的TiNiSn的电子结构和磁学性质，来得到Ge、Te掺杂对TiNiSn半金属稳定性以及磁学性质的影响。掺杂Ge元素和掺杂Te元素的原子比为1：1，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数量为未掺杂half-Heusler合金TiNiSn中Sn元素原子数量的50％，且均用于替代TiNiSnWyckoff位置中的Z位原子Sn原子。
通过第一性原理计算的态密度可以看出掺杂之前TiNiSn的EF在价带的顶部，很容易随着温度的波动而移出带隙从而导致半金属性质被破坏。而掺杂了GeTe之后的TiNiSn的态密度有一条EF处为0，从而在EF处显示出100％的自旋极化率的半金属特性。因此首先可以肯定的是向TiNiSn中掺杂GeTe并没有改变其半金属特性。并且，GeTe掺杂的TiNiSn的EF则正好位于带隙的中间，不容易因为温度的波动而移出带隙范围。因此向TiNiSn中掺杂GeTe可以提高TiNiSn半金属的稳定性。
与实施例1相似，本实施例中掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总掺杂量也可采用不超过50％的其他数值。
实施例4
本发明在半金属中同时掺杂Ge、Te，半金属并不仅仅限于Heusler合金，还可以是其他的半金属材料，本实施例针对非Heusler类合金的CuV2S4尖晶石结构进行掺杂。
本实施例通过第一性原理计算CuV2S4合金以及Ge、Te掺杂的CuV2S4的电子结构和磁学性质，来得到GeTe掺杂对CuV2S4半金属稳定性以及磁学性质的影响。掺杂Ge元素和掺杂Te元素的原子比为1：1，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数量等于未掺杂CuV2S4中S元素原子数量的50％，且均用于替代半金属CuV2S4合金中的S原子(也就是说，掺杂Ge元素和掺杂Te元素的总原子数占未掺杂CuV2S4合金S原子原子比例的50％)。
通过第一性原理计算的态密度可以看出掺杂之前CuV2S4的EF在价带的顶部，很容易随着温度的波动而移出带隙从而导致半金属性质被破坏。而掺杂了GeTe之后的CuV2S4的态密度有一条EF处为0，从而在EF处显示出100％的自旋极化率的半金属特性。因此首先可以肯定的是向CuV2S4中掺杂GeTe并没有改变其半金属特性。并且，GeTe掺杂的CuV2S4的EF则正好位于带隙的中间，不容易因为温度的波动而移出带隙范围。因此向CuV2S4中掺杂GeTe可以提高CuV2S4半金属的稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，通过向半金属磁体中同时掺杂Ge元素和Te元素，以调节所述半金属磁体电子能带结构中费米能级的位置。
2.如权利要求1所述调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，所述半金属磁体为半金属Heusler合金，该半金属Heusler合金的Wyckoff构型为X2YZ；所述Ge元素和所述Te元素为替位掺杂，并且均用于替代所述半金属Heusler合金X2YZWyckoff位置中的Z位。
3.如权利要求1所述调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，所述Ge元素和所述Te元素的原子比为1：1，所述Ge元素和所述Te元素的总原子数量不超过所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％。
4.如权利要求1－3任意一项所述调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，所述Ge元素和所述Te元素的总原子数量为所述半金属Heusler合金X2YZ中Z位原子数量的50％。
5.如权利要求1－4任意一项所述调整半金属磁体电子能带结构的方法，其特征在于，所述Ge元素和所述Te元素还用于增大所述半金属磁体的带隙。
6.利用如权利要求1-5任意一项所述调整半金属磁体电子能带结构方法得到的掺杂半金属磁体。
7.如权利要求6所述的掺杂半金属磁体，其特征在于，所述掺杂半金属磁体的带隙大于不掺杂半金属磁体的带隙。
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