CN109778318B - 一种半金属性多铁超晶格材料 - Google Patents

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Abstract

一种半金属性多铁超晶格材料，涉及新型功能材料领域。将晶体结构为四方结构，空间群为P4mm的La0.67Sr0.33MnO3和BiCoO3沿[001]方向周期循环堆垛，从而构建出(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1超晶格。超晶格的晶胞参数为
Figure DDA0001943179960000011
其电子结构呈现半金属特性，即在少数自旋子带的费米能级处出现带隙，而多数自旋子带则为金属性特征，具有100％自旋极化率，半金属带隙大于1.0eV。本发明所设计超晶格材料不但具有多铁性也同时具有半金属性，其在自旋电子器件、信息存储、磁电传感等领域可具有重要应用前景。

Description

一种半金属性多铁超晶格材料
技术领域：
本发明涉及新型功能材料领域，具体涉及一种具有四方钙钛矿结构的新型半金属性多铁超晶格材料(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1。
背景技术：
多铁性材料同时具有两种或两种以上铁性有序，如铁电性、铁弹性、铁磁性。多铁材料中，由于铁电性和铁磁性之间的相互耦合，从而可以实现电场对磁性的调控或者磁场对电性能的调控。这在多态存储器件和电场调控的自旋电子器件等领域具有巨大的潜在应用。
近年来，复合多铁材料得到迅速发展。如PbTiO3/Fe/Au/Fe异质隧道结中，由于界面磁电效应，不同极化状态下，PbTiO3/Fe界面处Ti原子被诱导出磁矩；SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3中隧穿电阻会随不同铁电和铁磁组态而改变等。但在当前的复合多铁材料的研究当中，仍存在磁性较弱和磁电耦合较弱的问题。半金属材料中，在费米能级处电子的自旋极化率达到100％。而多铁性材料同时具有铁电性与铁磁性。由半金属性材料与多铁材料复合而成的异质隧道结的出现，使得实现电场调控磁性和电子的自旋极化成为可能，这在研发新型自旋电子器件方面具有重要意义。
如今，一些功能材料通过界面工程组合起来，制备出一些异质结或者超晶格结构。这为实现半金属性多铁材料的设计与开发提供了新的途径。超晶格是将两种或两种以上不同材料按照特定堆垛顺序，逐层沉积而构成。钙钛矿锰酸盐La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)因其具有半金属性和极高的铁磁居里温度Tc约为370K，在自旋电子学领域是极有前景的候选者之一。BiCoO3具有高达170μC/cm2的理论铁电极化值。此外，已有实验通过中子衍射明确证实BCO具有低于奈尔温度Tn＝470K的长程C型反铁磁序。在目前已知的多铁材料中，BiCoO3(BCO)被认为是最有希望的多铁材料候选者之一。因此，将具有半金属性的LSMO与具有多铁性BCO材料构成超晶格，则有可能构造成兼有半金属性与多铁性的新型超晶格材料。
发明内容：
本发明涉及一种晶体结构为四方钙钛矿结构新型超晶格材料，其主要特点为可同时具有半金属性与多铁性，为一种尚未见于报道的新型半金属性多铁材料。
一种半金属性多铁超晶格材料，其特征在于：其化学式为(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1。该超晶格是由一个晶胞的BiCoO3和La0.67Sr0.33MnO3沿[001]方向周期堆垛而成。其同时具有多铁性与半金属性特征，具有100％自旋极化率与大于1.0eV的半金属带隙。
制备所述半金属性多铁超晶格材料的方法，其特征在于，(a)首先把镧锶锰氧和钴酸铋靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，其中，镧锶锰氧摩尔比La:Sr:Mn:O＝0.67:0.33:1:3，钴酸铋摩尔比Bi:Co:O＝1:1:3；(b)在钛酸锶基片上沉积钴酸铋层：在基片温度为800℃～850℃和5～7Pa氧压的条件下，利用脉冲激光轰击钴酸铋靶材，在钛酸锶单晶基片上沉积钴酸铋薄膜层；(c)调整步骤(b)所得基片温度至900℃～950℃，氧压仍保持5～7Pa，用脉冲激光轰击镧锶锰氧靶材，从而在基片上沉积镧锶锰氧层；(d)通过控制钴酸铋与镧锶锰氧的沉积时间，使得镧锶锰氧与钴酸铋沿[001]方向周期循环堆垛；重复步骤(b)和步骤(c)过程，制备获得(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1半金属性多铁超晶格材料。
本发明所涉及的新型半金属性多铁材料，其化学式为(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1(简略为(BCO)1/(LSMO)1)，其晶体结构为四方钙钛矿结构，属于四方晶系，空间群为P4mm，晶格常数为
Figure BDA0001943179940000021
其多数自旋态方向上，费米面处有电子占据；而少数自旋态方向上，费米面处于禁带中。其费米面附近自旋极化率达到100％，具有半金属特性。
附图说明：
图1示出了(BCO)1/(LSMO)1超晶格的晶体结构图。
图2示出了(BCO)1/(LSMO)1的能带结构和总态密度图。
图3示出了(BCO)1/(LSMO)1中Mn、Co原子3d轨道的态密度图。
具体实施方式：
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
1)基于ABO3钙钛矿材料体系，将BCO和LSMO沿[001]方向上周期循环堆垛，发明了一种新型半金属性多铁超晶格材料，其晶体结构如图1所示。
2)为了实现半金属性，对其界面构型进行了设计，并通过形成能的计算发现，所设计超晶格的形成能为-8.52eV，说明该材料有可能利用现有异质结制备技术获得。
3)经对该超晶格电子结构的理论计算表明，其具有半金属特性，自旋极化率为100％。如图2所示，(BCO)1/(LSMO)1的上自旋电子在费米面处表现为金属性，而下自旋电子的费米能级存在于禁带中。如图3所示，上自旋态中费米面处的电子态主要由Mn和Co原子的3d轨道提供。
4)可利用脉冲沉积技术实现该超晶格制备，具体工艺如下:(a)首先把镧锶锰氧和钴酸铋靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，利用脉冲激光沉积方法制备半金属性多铁超晶格材料。其中，镧锶锰氧摩尔比La:Sr:Mn:O＝0.67:0.33:1:3，钴酸铋摩尔比Bi:Co:O＝1:1:3；(b)在钛酸锶基片上沉积钴酸铋层：在基片温度为800℃～850℃和5～7Pa氧压的条件下，利用脉冲激光轰击钴酸铋靶材，在钛酸锶单晶基片上沉积钴酸铋薄膜层；(c)调整步骤(b)所得基片温度至900℃～950℃，氧压仍保持5～7Pa，用脉冲激光轰击镧锶锰氧靶材，从而在基片上沉积镧锶锰氧层；(d)通过精确控制钴酸铋与镧锶锰氧的沉积时间，使得镧锶锰氧与钴酸铋沿[001]方向周期循环堆垛。重复步骤(b)和步骤(c)过程，可制备获得(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1半金属性多铁超晶格材料。

Claims (2)

1.一种半金属性多铁超晶格材料，其特征在于：其化学式为(BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1；该超晶格是由一个晶胞的BiCoO3和一个晶胞La0.67Sr0.33MnO3沿[001]方向周期堆垛而成；晶体结构为四方钙钛矿结构，属于四方晶系，空间群为P4mm，晶格常数为a=5.49 Å，c=20.31 Å，同时具有多铁性与半金属性特征，具有100%自旋极化率与大于1.0 eV的半金属带隙。
2.制备如权利要求1所述半金属性多铁超晶格材料的方法，其特征在于，(a) 首先把镧锶锰氧和钴酸铋靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，其中，镧锶锰氧摩尔比La:Sr:Mn:O=0.67:0.33:1:3，钴酸铋摩尔比Bi:Co:O=1:1:3；(b) 在钛酸锶基片上沉积钴酸铋层：在基片温度为800℃～850℃和5～7 Pa氧压的条件下，利用脉冲激光轰击钴酸铋靶材，在钛酸锶单晶基片上沉积钴酸铋薄膜层；(c) 调整步骤(b)所得基片温度至900℃～950℃，氧压仍保持5～7 Pa，用脉冲激光轰击镧锶锰氧靶材，从而在基片上沉积镧锶锰氧层；(d) 通过控制钴酸铋与镧锶锰氧的沉积时间，使得镧锶锰氧与钴酸铋沿[001]方向周期循环堆垛；重复步骤(b)和步骤(c)过程，制备获得 (BiCoO3)1/(La0.67Sr0.33MnO3)1半金属性多铁超晶格材料。
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