JP2008047624A - Anti-ferromagnetic half metallic semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反強磁性を有し、且つ一方の向きの電子スピン状態で金属としての性質を示すのに対して他方の向きの電子スピン状態で絶縁体或いは半導体としての性質を示すハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体に関するものである。 The present invention has antiferromagnetism and exhibits a property as a metal in an electron spin state in one direction, while it exhibits a property as an insulator or a semiconductor in an electron spin state in the other direction. The present invention relates to an antiferromagnetic half-metallic semiconductor.
従来、強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック強磁性体という)としては、ホイスラー合金、ペロブスカイト型マンガン酸化物、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ、希薄磁性半導体等が知られている。近年、電子の電荷とスピンを利用した半導体材料、即ちスピントロニクス材料の研究が進められており、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ及び希薄磁性半導体はスピントロニクス材料に含まれる。希薄磁性半導体としては、例えば(Ｉｎ，Ｍｎ)Ａｓや(Ｇａ，Ｍｎ)Ａｓが知られている。
これに対し、反強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック反強磁性体という)は、１９９５年にド・グルート達によって存在の可能性が指摘され(非特許文献１参照)、その後、ピケットによって電子状態計算からダブルペロフスカイト構造を有するＬａ２ＶＣｕＯ６及びＬａ２ＭｎＶＯ６が提案された(非特許文献２参照)。
Conventionally, Heusler alloys, perovskite-type manganese oxides, zinc blende-type CrAs, diluted magnetic semiconductors, and the like are known as half-metallic magnetic materials having ferromagnetism (hereinafter referred to as half-metallic ferromagnets). In recent years, research on semiconductor materials using electron charges and spins, that is, spintronic materials, has been advanced, and zinc blende-type CrAs and dilute magnetic semiconductors are included in spintronic materials. For example, (In, Mn) As and (Ga, Mn) As are known as diluted magnetic semiconductors.
In contrast, a half-metallic magnetic material having antiferromagnetism (hereinafter referred to as a half-metallic antiferromagnetic material) was pointed out by De Groot et al. In 1995 (see Non-Patent Document 1). And Picket proposed La 2 VCuO 6 and La 2 MnVO 6 having a double perovskite structure from electronic state calculation (see Non-Patent Document 2).
尚、種々のスピントロニクス材料が提案されている(例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。
しかしながら、ピケットによって提案されたハーフメタリック反強磁性体は、遷移金属酸化物をベースとした金属間化合物であって、半導体をベースとしたスピントロニクス材料ではない。スピントロニクス材料としてのハーフメタリック反強磁性体については、提案された事実も製造された事実もない。
そこで本発明の目的は、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな新規なスピントロニクス材料である反強磁性ハーフメタリック半導体を提供することである。
However, the half-metallic antiferromagnetic material proposed by Pickett is an intermetallic compound based on a transition metal oxide and not a semiconductor-based spintronic material. There are no proposed or manufactured facts about half-metallic antiferromagnetic materials as spintronic materials.
Therefore, an object of the present invention is to provide an antiferromagnetic half-metallic semiconductor which is antiferromagnetic and is a new half-metallic spintronic material.
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される。 In the antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention, two or more kinds of magnetic elements including a magnetic element having a d electron number of less than 5 and a magnetic element having a d electron number of more than 5 are added to a chalcogenide semiconductor containing cadmium. The chalcogenide semiconductor is produced by replacing a part of the cadmium component contained in the chalcogenide semiconductor with the two or more kinds of magnetic elements.
第１の具体的構成において、添加する磁性元素は２種類であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記２種類の磁性元素は、ＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
In the first specific configuration, two kinds of magnetic elements are added, and the number of d electrons possessed by one magnetic element and the number of holes possessed by the other magnetic element are the same or substantially the same.
The two kinds of magnetic elements were selected from the group consisting of Ti and Ni, V and Co, Cr and Fe, Ti and Fe, Ti and Co, V and Fe, V and Ni, Cr and Co, and Cr and Ni. Any one combination.
上述の如く半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加することによって反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体は、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９及び図２０はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。又、図２１及び図２２はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。図中の縦軸はエネルギーの大きさを表わしており、縦軸よりも左側の曲線が上向きスピン電子の状態密度曲線、右側の曲線が下向きスピン電子の状態密度を表わしている。又、図中の斜線のハッチングは３ｄ軌道に電子が収容されていることを表わしている。
The reason why antiferromagnetism and half-metallic properties are manifested by adding two or more kinds of magnetic elements including a magnetic element having a d electron number of less than 5 and a magnetic element having a d electron number of more than 5 to the semiconductor as described above is as follows. It seems like. In the following description, the two kinds of magnetic elements are V and Co. At this time, since the parent chalcogenide semiconductor is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of V ions is formally three, which is half the maximum number of electrons accommodated in the 3d orbital (number of electrons). Less than half than 5). On the other hand, the number of 3d electrons of Co ions is formally seven, which is more than half of the maximum number of accommodated electrons in the 3d orbit.
FIG. 19 and FIG. 20 respectively show the state density curves of V and Co when V and Co align magnetic moments in parallel, and the state density curves after V and Co are combined. FIG. 21 and FIG. 22 show a state density curve of V and Co when V and Co align magnetic moments antiparallel, and a state density curve after V and Co are combined, respectively. The vertical axis in the figure represents the magnitude of energy, the curve on the left side of the vertical axis represents the state density curve of the upward spin electrons, and the curve on the right side represents the state density of the spin electrons downward. In addition, hatched hatching in the figure indicates that electrons are accommodated in the 3d orbit.
ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、図１９に細線の矢印で示す如く、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれ、ＶとＣｏの間で電子数に応じたエネルギー差を有する２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２０に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として僅かに低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを平行に揃えて結合する強磁性的結合は、超交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
これに対し、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、図２１に細線の矢印で示す如く、ＶとＣｏの上向きスピン電子がＶとＣｏの間でエネルギー差のない２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２２に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合する反強磁性的結合は、二重交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
When V and Co align magnetic moments in parallel, the upward spin electrons and downward spin electrons of V and Co correspond to the number of electrons between V and Co, respectively, as indicated by thin arrows in FIG. The two states having an energy difference move to bond V and Co, and the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons after the combination becomes a curve as shown in FIG. At this time, the kinetic energy of electrons slightly decreases as a whole. Thus, the ferromagnetic coupling in which V and Co are coupled with their magnetic moments aligned in parallel is considered to be stable due to a decrease in kinetic energy of electrons due to superexchange interaction.
On the other hand, when V and Co align the magnetic moments antiparallel, the upward spin electrons of V and Co have two energy differences between V and Co, as indicated by thin arrows in FIG. V and Co are coupled by moving the state, and the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons after the coupling becomes a curve as shown in FIG. At this time, the kinetic energy of electrons decreases as a whole. Thus, the antiferromagnetic coupling in which V and Co are coupled with their magnetic moments antiparallel to each other is considered to be stable due to a decrease in electron kinetic energy due to double exchange interaction.
In general, double exchange interactions are stronger than superexchange interactions. Therefore, it is considered that antiferromagnetic coupling is more stable than ferromagnetic coupling, and that V and Co are coupled with their magnetic moments antiparallel. Here, the number of 3d electrons of V ion and Co ion is formally 3 and 7, respectively, and the number of 3d electrons of V ion and the number of holes of Co ion are both equal to 3, so V It is thought that the anti-ferromagnetism appears because the magnetic moments of ions and Co ions cancel each other.
又、図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの上向きスピン電子のエネルギー差、及びＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差は比較的小さいため、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２０に示す如き曲線となる。同図の如く、フェルミエネルギーＥＦ付近での上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもゼロより大きくなり、ハーフメタリックは発現しないと考えられる。
これに対し、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
上述の如く反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
Also, as shown in FIG. 19, when V and Co align magnetic moments in parallel, the energy difference between V and Co upward spin electrons and the energy difference between V and Co downward spin electrons are relatively small. The upward spin electrons and downward spin electrons of V and Co move between V and Co, respectively, and the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons become curves as shown in FIG. As the figure, a state density of spin-up electrons and down-spin electrons in the vicinity of the Fermi energy E F are all greater than zero, a half-metallic does not appear to express.
On the other hand, when V and Co align the magnetic moments antiparallel as shown in FIG. 21, the energy difference between the downward spin electrons of V and Co is large, so that the downward spin electrons move between V and Co. Therefore, only the upward spin electrons move between V and Co, and the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons becomes a curve as shown in FIG. As the figure, a state density of spin-down electrons bandgap Gp is formed becomes zero, while so that the Fermi energy E F is present in the band gap, the density of states of the upward spin electron Fermi energy E It becomes larger than zero near F. That is, the state of the upward spin electrons represents the property as a semiconductor, while the state of the downward spin electrons represents the property as a metal, and it is considered that a half-metallic property appears.
As described above, the development of antiferromagnetism and half-metallicity has been confirmed by the first principle electronic state calculation.
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。本願明細書においては、「反強磁性」に、僅かに磁性を有する「フェリ磁性」が含まれるものとする。 Of the two types of magnetic elements, when the number of d electrons of one magnetic element is the same as the number of holes of the other magnetic element, antiferromagnetism appears as described above. When the number of d electrons and the number of holes of the other magnetic element are not exactly the same but are substantially the same, the magnitudes of the magnetic moments of the two types of magnetic elements are slightly different. It is thought that ferrimagnetism will develop. In the present specification, “antiferromagnetism” includes “ferrimagnetism” having slight magnetism.
第２の具体的構成において、添加する磁性元素は３種類であって、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記３種類の磁性元素は、ＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
In the second specific configuration, there are three types of magnetic elements to be added, the total number of d electrons each of the two types of magnetic elements, and the holes of one type of magnetic elements other than the two types of magnetic elements. The numbers are the same or substantially the same.
The three kinds of magnetic elements are any one combination selected from the group consisting of Ti and V and Ni, Ti and V and Co, Ti and Ni and Co, and V, Ni and Co.
上記具体的構成においては、３種類の磁性元素の内、２種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを平行に揃えて強磁性的に結合し、該２種類の磁性元素と他の１種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを反平行に揃えて反強磁性的に結合する。ここで、該２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数が同じ或いは略同じであるので、２種類の磁性元素を添加する第１の具体的構成と同様に、反強磁性が発現することになる。
３種類の磁性元素がＴｉとＶとＮｉである場合、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＮｉは反強磁性的に結合し、ＴｉとＶとＣｏである場合には、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＣｏは反強磁性的に結合する。又、ＴｉとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＴｉとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合し、ＶとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＶとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合する。
In the above specific configuration, of the three kinds of magnetic elements, two kinds of magnetic elements are ferromagnetically coupled with their magnetic moments aligned in parallel, and the two kinds of magnetic elements and one other kind of magnetic element. Are antiferromagnetically coupled with their magnetic moments antiparallel. Here, since the total number of d electrons each of the two types of magnetic elements and the number of holes of one type of magnetic elements other than the two types of magnetic elements are the same or substantially the same, the two types of magnetic elements are Similar to the first specific structure to be added, antiferromagnetism is developed.
When the three types of magnetic elements are Ti, V and Ni, Ti and V are ferromagnetically coupled, while Ti and V and Ni are antiferromagnetically coupled and Ti, V and Co are Ti and V are ferromagnetically coupled, while Ti and V and Co are antiferromagnetically coupled. In the case of Ti, Ni and Co, Ni and Co are ferromagnetically coupled, while Ti, Ni and Co are antiferromagnetically coupled, and in the case of V, Ni and Co, Ni and Co are ferromagnetically coupled, while V, Ni and Co are antiferromagnetically coupled.
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体によれば、反強磁性を有し、且つハーフメタリックである新規なスピントロニクス材料を実現することが出来る。 According to the antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention, a novel spintronic material having antiferromagnetism and being half-metallic can be realized.
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とし、母体とするカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素で置換されているものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
The antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention is based on a chalcogenide semiconductor containing cadmium, and a part of the cadmium component contained in the parent chalcogenide semiconductor is a magnetic element having less than 5 d electrons and the number of d electrons. Is substituted with two or more kinds of magnetic elements including more than five magnetic elements.
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、基板上に母体となるカルコゲナイド半導体薄膜を成長させると同時に、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を数％ずつ添加して作製される。
又、薄膜成長方法としては、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、レーザＭＢＥ法、低温ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法等、周知の薄膜成長方法を採用することが可能である。
更に、添加する磁性元素は、例えば２種類の遷移金属元素であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群から選ばれた１つの組合せである。特に、ＶとＣｏ、或いはＣｒとＦｅの組合せでは、全体としての磁化が消え、且つフェルミ面における電子が１００％スピン偏極しており、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。又、３種類の遷移金属元素を用いることも可能であって、３種類の遷移金属元素は、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
The antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention includes a magnetic element having a d-electron number of less than 5 and a magnetic element having a d-electron number of more than 5 at the same time as a parent chalcogenide semiconductor thin film is grown on a substrate. It is produced by adding several percent of magnetic elements of several types.
As a thin film growth method, a well-known thin film growth method such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, laser MBE method, low temperature MBE method, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or the like can be adopted.
Further, the magnetic element to be added is, for example, two kinds of transition metal elements, and the number of d electrons possessed by one magnetic element and the number of holes possessed by the other magnetic element are the same or substantially the same number. And Co, Cr and Fe, Ti and Fe, Ti and Co, V and Fe, V and Ni, Cr and Co, and Cr and Ni. In particular, in the combination of V and Co or Cr and Fe, the magnetization as a whole disappears and the electrons on the Fermi surface are 100% spin-polarized, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor can be obtained. It is also possible to use three kinds of transition metal elements. The three kinds of transition metal elements include the total number of d electrons each of the two kinds of magnetic elements and one kind other than the two kinds of magnetic elements. The number of holes of the magnetic element is the same or substantially the same number, any combination selected from the group consisting of Ti and V and Ni, Ti and V and Co, Ti and Ni and Co, and V, Ni and Co. is there.
上述の製造方法によれば、半導体薄膜が成長する過程でカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が２種類以上の磁性元素で置換されて、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。 According to the manufacturing method described above, part of the cadmium component contained in the chalcogenide semiconductor is replaced with two or more kinds of magnetic elements in the process of growing the semiconductor thin film, thereby having antiferromagnetism and half-metallic antistrength. A magnetic half-metallic semiconductor is obtained.
反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体はII−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、超交換相互作用によって強磁性的結合が安定すると考えられる一方、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、二重交換相互作用によって反強磁性的結合が安定すると考えられる。一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
又、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
The reason why antiferromagnetism and half-metallicity appear is considered as follows. In the following description, the two kinds of magnetic elements are V and Co. At this time, since the parent chalcogenide semiconductor is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of the V ion is formally three, which is half of the maximum number of accommodated electrons of the 3d orbit (number of electrons 5 Less than half). On the other hand, the number of 3d electrons of Co ions is formally seven, which is more than half of the maximum number of accommodated electrons in the 3d orbit.
When V and Co align magnetic moments in parallel as shown in FIG. 19, it is considered that the ferromagnetic coupling is stabilized by super-exchange interaction, while V and Co cause magnetic moments to be antiparallel as shown in FIG. If they are aligned, the antiferromagnetic coupling is thought to be stabilized by the double exchange interaction. In general, double exchange interactions are stronger than superexchange interactions. Therefore, it is considered that antiferromagnetic coupling is more stable than ferromagnetic coupling, and that V and Co are coupled with their magnetic moments antiparallel. Here, the number of 3d electrons of V ion and Co ion is formally 3 and 7, respectively, and the number of 3d electrons of V ion and the number of holes of Co ion are both equal to 3, so V It is thought that the anti-ferromagnetism appears because the magnetic moments of ions and Co ions cancel each other.
Also, as shown in FIG. 21, when the magnetic moments of V and Co are aligned antiparallel, the downward spin electrons move between V and Co due to the large energy difference between the downward spin electrons of V and Co. It is difficult, and only the upward spin electrons move between V and Co, and the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons becomes a curve as shown in FIG. As the figure, a state density of spin-down electrons bandgap Gp is formed becomes zero, while so that the Fermi energy E F is present in the band gap, the density of states of the upward spin electron Fermi energy E It becomes larger than zero near F. That is, the state of the upward spin electrons represents the property as a semiconductor, while the state of the downward spin electrons represents the property as a metal, and it is considered that a half-metallic property appears.
It is confirmed by first-principles electronic state calculation that antiferromagnetism and half-metallicity are developed.
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。又、フェルミ面における電子のスピン偏極が１００％ではなく、完全なハーフメタリックが発現しない場合もある。しかしながら、この様な場合にも実用的なスピンエレクトロニクス材料としては十分に使用が可能である。例えば、(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓはフェリ磁性を有するものとなる。但し、ＣｒとＣｏの濃度を調整することによって、反強磁性を有するものを得ることが出来る。 Of the two types of magnetic elements, when the number of d electrons of one magnetic element is the same as the number of holes of the other magnetic element, antiferromagnetism appears as described above. When the number of d electrons and the number of holes of the other magnetic element are not exactly the same but are substantially the same, the magnitudes of the magnetic moments of the two types of magnetic elements are slightly different. It is thought that ferrimagnetism will develop. In addition, the spin polarization of electrons on the Fermi surface is not 100%, and a complete half-metallic state may not be exhibited. However, even in such a case, it can be sufficiently used as a practical spin electronics material. For example, (Cd 0.9 Cr 0.05 Co 0.05 ) S has ferrimagnetism. However, by adjusting the concentrations of Cr and Co, an antiferromagnetic material can be obtained.
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、外部磁場の影響を受けない反強磁性を有しているので、外部磁場の影響を受ける強磁性スピントロニクス材料とは異なるデバイスへの応用が期待される。例えば、ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)、センサー、スピン注入素子、光磁気デバイス、スピントランジスタ、スピンＦＥＴ、単一スピン超伝導体等への応用が考えられる。又、形状磁気異方性が殆どないので、電流注入等によって容易に磁区反転が出来る。本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体はハーフメタリックであるので、半導体スイッチング素子に応用した場合には、高いスイッチング速度を得ることが出来る。 Since the antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention has antiferromagnetism that is not affected by an external magnetic field, it is expected to be applied to a device different from a ferromagnetic spintronic material that is affected by an external magnetic field. . For example, application to an MRAM (Magnetic Random Access Memory), a sensor, a spin injection element, a magneto-optical device, a spin transistor, a spin FET, a single spin superconductor, and the like can be considered. Further, since there is almost no shape magnetic anisotropy, the magnetic domain can be easily reversed by current injection or the like. Since the antiferromagnetic half-metallic semiconductor according to the present invention is half-metallic, a high switching speed can be obtained when it is applied to a semiconductor switching element.
第１実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＣｒガスとＦｅガスを基板に向けて照射してＣｒ及びＦｅを５％ずつ添加する。このとき、例えば、基板温度は１５０〜２００℃、カドミウム分子線のビーム圧力は２.５×１０−５〜８×１０−５Ｐａ、Ｓ分子線のビーム圧力は１.５×１０−４〜１２×１０−４Ｐａに設定される。又、Ｃｒ及びＦｅのガス圧は、例えば２.５×１０−６〜１５×１０−６Ｐａに設定される。
First Example A dilute antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example is represented by a composition formula (Cd 0.9 Cr 0.05 Fe 0.05 ) S, and contains CdS which is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with Cr and Fe which are transition metal elements. Since the base CdS is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of the Cr ion is formally four, which is less than half the maximum number of electrons accommodated in the 3d orbit (5 electrons). Less than half. On the other hand, the number of 3d electrons in Fe ions is formally six, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the method of manufacturing a diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdS thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, Cr gas and Fe gas are irradiated toward the substrate to apply Cr and Fe. Add 5% at a time. At this time, for example, the substrate temperature is 150 to 200 ° C., the beam pressure of the cadmium molecular beam is 2.5 × 10 −5 to 8 × 10 −5 Pa, and the beam pressure of the S molecular beam is 1.5 × 10 −4 to It is set to 12 × 10 −4 Pa. The gas pressure of Cr and Fe is set to, for example, 2.5 × 10 −6 to 15 × 10 −6 Pa.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１原理電子状態計算を行なった。ここで、第１原理電子状態計算の手法としては、ＫＫＲ(Korringa-Kohn-Rostoker)法(グリーン関数法とも呼ばれる)と、ＣＰＡ(Coherent-Potential Approximation：コヒーレント・ポテンシャル近似)法と、ＬＤＡ(Local-Density Approximation：局所密度近似)法とを組み合わせた公知のＫＫＲ−ＣＰＡ−ＬＤＡ法を採用した。
図１乃至図３はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態、及び局所磁気モーメントの向きが不規則なスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図３は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
The present inventor performed first-principles electronic state calculation to confirm that half-metallicity and antiferromagnetism are expressed by the above-described manufacturing method. Here, as first-principles electronic state calculation methods, KKR (Korringa-Kohn-Rostoker) method (also called Green function method), CPA (Coherent-Potential Approximation) method, LDA (Local A known KKR-CPA-LDA method combined with a -Density Approximation method was employed.
FIGS. 1 to 3 show state density curves in an antiferromagnetic state, a ferromagnetic state, and a spin glass state in which the directions of local magnetic moments are irregular, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Fe. FIG. 3 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
反強磁性状態では、図１に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している。一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。この様に、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現していると言える。 In the antiferromagnetic state, as indicated by a solid line in FIG. 1, the state density of upward spin electrons becomes zero and a band gap Gp is formed, and Fermi energy exists in the band gap. On the other hand, the density of states of the downward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Thus, while the state of the upward spin electrons represents the property as a semiconductor, the state of the downward spin electrons represents the property as a metal, and it can be said that half-metallicity is expressed.
このとき、ＣｒイオンとＦｅイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には４と６であり、Ｃｒイオンの３ｄ電子数とＦｅイオンの正孔数は共に４つと同じである。そして、Ｆｅイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｆｅイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数(即ち、６)となり、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｆｅの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｃｒイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｃｒイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数(即ち、４)となる。この様にして、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。 At this time, the number of 3d electrons of Cr ions and Fe ions is formally 4 and 6, respectively, and the number of 3d electrons of Cr ions and the number of holes of Fe ions are both equal to four. Of the 3d electrons of Fe ions, the upward spin electrons satisfy the half-metallic valence band, while the downward spin electrons are in the half-metallic metal band. The sum of the value of the state density of the upward spin electrons of Fe ions integrated to the Fermi energy and the value of the state density of the spin ions downward of the Fe ions integrated to Fermi energy is the number of 3d electrons of Fe ions (ie 6), and the value obtained by integrating the state density of the upward spin electrons of Fe ions up to Fermi energy is an integer value, and the value obtained by integrating the downward spin electron state density of Fe ions up to Fermi energy is also an integer value. On the other hand, the downward spin electrons of Cr ions are in a half-metallic metallic band, and the value obtained by integrating the density of states of the downward spin electrons of Cr ions up to Fermi energy is the number of 3d electrons of Cr ions (ie, 4). It becomes. In this way, Fe and Cr cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
これに対し、強磁性状態では、図２に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図３に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by a solid line in FIG. 2, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and no half-metallic property is expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 3, the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.５７１ｍＲｙ、０.１８６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性状態から常磁性状態に移行する反強磁性転移温度(ネール温度に相当)を計算すると６０１Ｋであった。ここで、反強磁性転移温度は、強磁性状態から常磁性状態に移行する強磁性転移温度(キュリー温度)を算出する公知の方法と同様に、スピングラス状態と反強磁性状態とのエネルギー差から平均場近似によって算出した。
Moreover, the sum total of the kinetic energy of the electron in each state of an antiferromagnetic state, a ferromagnetic state, and a spin glass state was computed from the above-mentioned state density curve. When the total kinetic energy of electrons in the antiferromagnetic state and the total kinetic energy of electrons in the ferromagnetic state are compared with the total kinetic energy of electrons in the spin glass state, −0.571 mRy, It was 186 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature (corresponding to the Neel temperature) for transition from the antiferromagnetic state to the paramagnetic state was calculated to be 601K. Here, the antiferromagnetic transition temperature is the energy difference between the spin glass state and the antiferromagnetic state, as in the known method of calculating the ferromagnetic transition temperature (Curie temperature) from the ferromagnetic state to the paramagnetic state. From the mean field approximation.
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、上述の如く、室温以上の高い反強磁性転移温度(６０１Ｋ)を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。 As described above, the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example has a high antiferromagnetic transition temperature (601 K) above room temperature, and therefore can be used for devices that operate at room temperature or above.
第２実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
Second Example The diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example contains CdS, which is represented by the composition formula (Cd 0.9 V 0.05 Co 0.05 ) S, and is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with V and Co which are transition metal elements. Since the base CdS is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of the V ion is formally three, which is less than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit (5 electrons) ( less than half). On the other hand, the number of 3d electrons in Co ions is formally seven, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the method of manufacturing the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdS thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, V and Co are added by 5% each.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図４乃至図６はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図６は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図４に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じである。そして、Ｃｏイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｃｏイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数(即ち、７)となり、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｃｏの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｖイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｖイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｖイオンの３ｄ電子の数(即ち、３)となる。この様にして、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図５に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図６に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
The present inventor performed the first principle electronic state calculation in the same manner as in the first example in order to confirm that the half metallic and antiferromagnetic properties are expressed by the above manufacturing method.
4 to 6 represent state density curves in the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state, respectively, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of V, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Co. FIG. 6 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
In the antiferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 4, the density of states of the upward spin electrons becomes zero and a band gap Gp is formed, and Fermi energy exists in the band gap, while the downward spin electrons The density of states is greater than zero near the Fermi energy, and it can be said that half-metallicity is manifested.
At this time, the number of 3d electrons of V ion and Co ion is formally 3 and 7, respectively, and the number of 3d electrons of V ion and the number of holes of Co ion are both equal to three. Of the 3d electrons of the Co ion, the upward spin electrons satisfy the half-metallic valence band, while the downward spin electrons enter the half-metallic metal band. Then, the sum of the value obtained by integrating the state density of the upward spin electrons of Co ions up to Fermi energy and the value obtained by integrating the state density of the down spin electrons of Co ions up to Fermi energy is the number of 3d electrons of Co ions (that is, 7), and the value obtained by integrating the state density of the upward spin electrons of Co ions up to the Fermi energy is an integer value. Therefore, the value of integrating the downward spin electron state density of Co up to the Fermi energy is also an integer value. On the other hand, the downward spin electrons of V ions are in a half-metallic metal band, and the value obtained by integrating the density of states of the downward spin electrons of V ions up to Fermi energy is the number of 3d electrons of V ions (ie, 3). It becomes. In this way, V and Co cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 5, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and the half-metallicity is not expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 6, the density of states of the upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.６２４ｍＲｙ、０.００４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると６５７Ｋであり、第１実施例よりも高い反強磁性転移温度を得ることが出来た。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
Moreover, the sum total of the kinetic energy of the electron in each state of an antiferromagnetic state, a ferromagnetic state, and a spin glass state was computed from the above-mentioned state density curve. When the total kinetic energy of electrons in the antiferromagnetic state and the total kinetic energy of electrons in the ferromagnetic state are compared with the total kinetic energy of electrons in the spin glass state, −0.624 mRy and 0.8 It was 004 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature was calculated to be 657 K, and an antiferromagnetic transition temperature higher than that of the first example could be obtained. Thus, the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example has a high antiferromagnetic transition temperature above room temperature, and therefore can be used for devices that operate at room temperature or higher.
第３実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
Third Example A diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example contains CdSe, which is represented by a composition formula (Cd 0.9 Cr 0.05 Fe 0.05 ) Se, and is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with Cr and Fe which are transition metal elements. Since CdSe as a base is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of Cr ions is formally four, which is less than half of the maximum number of electrons accommodated in 3d orbitals (5 electrons) ( less than half). On the other hand, the number of 3d electrons of Fe ions is formally six, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the manufacturing method of the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdSe thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, Cr and Fe are added by 5% each.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図７乃至図９はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図９は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図７に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。尚、第３実施例において、下向きスピン電子の側が半導体的であり、上向きスピン電子の側が金属的であるが、第１実施例及び第２実施例においては、上向きスピン電子の側が半導体的であり、下向きスピン電子の側が金属的であった。何れの向きのスピン電子を半導体的、或いは金属的にするのかは、任意に変更することが出来る。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図８に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図９に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
The present inventor performed the first principle electronic state calculation in the same manner as in the first example in order to confirm that the half metallic and antiferromagnetic properties are expressed by the above manufacturing method.
7 to 9 show state density curves in the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state, respectively, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Fe. FIG. 9 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
In the antiferromagnetic state, as indicated by a solid line in FIG. 7, the density of states of the downward spin electrons becomes zero and a band gap Gp is formed, and while Fermi energy exists in the band gap, The density of states is greater than zero near the Fermi energy, and it can be said that half-metallicity is manifested. In the third embodiment, the downward spin electron side is semiconducting and the upward spin electron side is metallic. In the first and second embodiments, the upward spin electron side is semiconducting. The downward spin electron side was metallic. Which direction of spin electrons is to be semiconductive or metallic can be arbitrarily changed.
At this time, as in the first embodiment, Fe and Cr cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 8, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and the half-metallicity is not expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 9, the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２６４ｍＲｙ、０.１０４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２７８Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温付近の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
In addition, the sum of the kinetic energy of electrons in each of the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state was calculated. Comparing the sum of the kinetic energy of the electrons in the antiferromagnetic state and the sum of the kinetic energy of the electrons in the ferromagnetic state with the sum of the kinetic energies of the electrons in the spin glass state, respectively, -0.264 mRy,. It was 104 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature was calculated to be 278K. Thus, the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example has a high antiferromagnetic transition temperature near room temperature, and therefore can be used for a device that operates at room temperature or higher.
第４実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
Fourth Embodiment A dilute antiferromagnetic half-metallic semiconductor of the present embodiment contains CdSe, which is represented by the composition formula (Cd 0.9 V 0.05 Co 0.05 ) Se, and is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with V and Co which are transition metal elements. Since CdSe as a base is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of the V ion is formally three, which is less than half of the maximum number of accommodated electrons in the 3d orbital (5 electrons) ( less than half). On the other hand, the number of 3d electrons in Co ions is formally seven, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the method of manufacturing the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdSe thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, V and Co are added by 5% each.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１０乃至図１２はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１２は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１０に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１１に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１２に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
The present inventor performed the first principle electronic state calculation in the same manner as in the first example in order to confirm that the half metallic and antiferromagnetic properties are expressed by the above manufacturing method.
10 to 12 show state density curves in the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state, respectively, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of V, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Co. FIG. 12 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
In the antiferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 10, the density of states of the downward spin electrons becomes zero and a band gap Gp is formed, and Fermi energy exists in the band gap, while the upward spin electrons The density of states is greater than zero near the Fermi energy, and it can be said that half-metallicity is manifested.
At this time, as in the second embodiment, V and Co cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 11, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and the half-metallicity is not expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 12, the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３０２ｍＲｙ、−０.００８ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３１７Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
In addition, the sum of the kinetic energy of electrons in each of the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state was calculated. When the total kinetic energy of electrons in the antiferromagnetic state and the total kinetic energy of electrons in the ferromagnetic state are compared with the total kinetic energy of electrons in the spin glass state, −0.32 mRy and −0, respectively. 0.008 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature was calculated to be 317K. Thus, the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example has a high antiferromagnetic transition temperature above room temperature, and therefore can be used for devices that operate at room temperature or higher.
第５実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
Fifth Example The diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example contains CdTe, which is represented by the composition formula (Cd 0.9 Cr 0.05 Fe 0.05 ) Te, and is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with Cr and Fe which are transition metal elements. Since CdTe as a base is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of Cr ions is formally four, which is less than half the maximum number of electrons accommodated in 3d orbitals (5 electrons) ( less than half). On the other hand, the number of 3d electrons of Fe ions is formally six, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the method of manufacturing the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdTe thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, Cr and Fe are added by 5% each.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１３乃至図１５はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１５は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
図１３は、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態での状態密度曲線を表わしている。図中に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１４に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１５に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２２８ｍＲｙ、−０.０６６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２４０Ｋであり、室温よりも低温となった。
The present inventor performed the first principle electronic state calculation in the same manner as in the first example in order to confirm that the half metallic and antiferromagnetic properties are expressed by the above manufacturing method.
FIGS. 13 to 15 represent state density curves in the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state, respectively, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Fe. FIG. 15 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
FIG. 13 represents a state density curve in the antiferromagnetic state obtained by the first principle electronic state calculation. As shown by the solid line in the figure, the density of states of the downward spin electrons is zero and the band gap Gp is formed, and the Fermi energy exists in the band gap, while the density of states of the upward spin electrons is around the Fermi energy. It is larger than zero, and it can be said that half-metallic is expressed.
At this time, as in the first embodiment, Fe and Cr cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by a solid line in FIG. 14, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and the half-metallicity is not expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 15, the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
In addition, the sum of the kinetic energy of electrons in each of the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state was calculated. When the total kinetic energy of electrons in the antiferromagnetic state and the total kinetic energy of electrons in the ferromagnetic state are compared with the total kinetic energy of electrons in the spin glass state, −0.228 mRy and −0, respectively. 0.066 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature was calculated to be 240 K, which was lower than room temperature.
第６実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
Sixth Example The diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example contains CdTe, which is represented by the composition formula (Cd 0.9 V 0.05 Co 0.05 ) Te, and is a II-VI group compound semiconductor. A part of the group II element component, that is, the cadmium component is substituted with V and Co which are transition metal elements. Since CdTe as the base is a II-VI group compound semiconductor, the number of 3d electrons of the V ion is formally three, which is less than half of the maximum number of accommodated electrons (5 electrons) of the 3d orbit ( less than half). On the other hand, the number of 3d electrons in Co ions is formally seven, which is more than half of the maximum accommodated number of electrons in the 3d orbit.
In the method of manufacturing the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor, a CdTe thin film is grown on a GaAs (100) substrate by a laser MBE method, and at the same time, V and Co are added by 5% each.
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１６乃至図１８はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１８は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１６に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１７に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１８に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３４４ｍＲｙ、−０.０３４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３６２Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
The present inventor performed the first principle electronic state calculation in the same manner as in the first example in order to confirm that the half metallic and antiferromagnetic properties are expressed by the above manufacturing method.
FIGS. 16 to 18 show state density curves in the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state, respectively, obtained by the first principle electronic state calculation. The solid line in the figure represents the total state density, the dotted line represents the local state density at the 3d orbital position of V, and the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Co. FIG. 18 shows only the state density curve of the upward spin electrons in the spin glass state, and the state density curve of the downward spin electrons is the same as that of the upward spin electrons, and is not shown.
In the antiferromagnetic state, as indicated by the solid line in FIG. 16, the density of states of the downward spin electrons becomes zero and a band gap Gp is formed, and while Fermi energy exists in the band gap, The density of states is greater than zero near the Fermi energy, and it can be said that half-metallicity is manifested.
At this time, as in the second embodiment, V and Co cancel each other's magnetic moment, the magnetization as a whole disappears, and a complete antiferromagnetic half-metallic semiconductor is obtained.
On the other hand, in the ferromagnetic state, as indicated by a solid line in FIG. 17, the density of states of the upward spin electrons and the downward spin electrons are both greater than zero near the Fermi energy, and the half-metallicity is not expressed. I can say that.
Even in the spin glass state, as indicated by a solid line in FIG. 18, the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy. Moreover, the density of states of the downward spin electrons becomes larger than zero near the Fermi energy, and it can be said that the half-metallic property is not expressed.
In addition, the sum of the kinetic energy of electrons in each of the antiferromagnetic state, the ferromagnetic state, and the spin glass state was calculated. When the total of the kinetic energy of the electrons in the antiferromagnetic state and the total of the kinetic energy of the electrons in the ferromagnetic state are compared with the total of the kinetic energy of the electrons in the spin glass state, −0.344 mRy and −0, respectively. 0.034 mRy, and the kinetic energy in the antiferromagnetic state was the lowest. Therefore, it can be said that the antiferromagnetic state is the most stable.
Furthermore, the antiferromagnetic transition temperature was calculated to be 362K. Thus, the diluted antiferromagnetic half-metallic semiconductor of this example has a high antiferromagnetic transition temperature above room temperature, and therefore can be used for devices that operate at room temperature or higher.
上記の様に、何れの実施例においても、フェルミ面における電子が１００％スピン偏極し、且つ、全体としては磁化がない完全な反強磁性ハーフメタリックの性質を示している。特に、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリック半導体では、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて高い反強磁性転移温度が得られている。
これは、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅの有するバンドギャップが、ＣｄＴｅの有するバンドギャップに比べて大きいことによるものと考えられる。即ち、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリックでは、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて、ＣｒとＦｅ、或いはＶとＣｏによる不純物バンドが、母体とする半導体の価電子バンド、及び伝導電子バンドから離れて出現することとなる。従って、母体とする半導体の価電子が不純物バンドに移り難く、ＣｒイオンとＦｅイオン、或いはＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子による磁気構造は乱されることがなく、強い反強磁性結合を保持することが出来る。
又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体のうち、既にＣｄＭｎＴは光アイソレータとして広く用いられており、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体の製造装置、及び製造方法は既に普及していると考えられる。従って、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリックの実用化の可能性は、極めて高い。又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリック半導体の製造方法としては、上記レーザＭＢＥ法の他にもスパッタ法を採用することも可能である。
As described above, in any of the examples, the electron on the Fermi surface is 100% spin-polarized and exhibits a completely antiferromagnetic half-metallic property with no magnetization as a whole. In particular, a half-metallic semiconductor based on CdS or CdSe has a higher antiferromagnetic transition temperature than those based on CdTe.
This is presumably because the band gap of CdS or CdSe is larger than the band gap of CdTe. That is, in a half-metallic material based on CdS or CdSe, the impurity band of Cr and Fe, or V and Co is a valence band and a conduction electron band of a semiconductor based on CdTe, compared to those based on CdTe. It will appear away from. Therefore, it is difficult for the valence electrons of the base semiconductor to move to the impurity band, and the magnetic structure by the 3d electrons of Cr ions and Fe ions or V ions and Co ions is not disturbed, and maintains strong antiferromagnetic coupling. I can do it.
Further, among chalcogenide semiconductors containing cadmium, CdMnT has already been widely used as an optical isolator, and it is considered that a manufacturing apparatus and a manufacturing method for a chalcogenide semiconductor containing cadmium have already become widespread. Therefore, the possibility of practical application of a half-metallic material based on a chalcogenide semiconductor containing cadmium is extremely high. In addition to the laser MBE method, a sputtering method can be employed as a method for producing a half-metallic semiconductor based on a chalcogenide semiconductor containing cadmium.
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| WO2010032527A1 (en) * | 2008-09-18 | 2010-03-25 | 国立大学法人大阪大学 | Magnetoresistive effect film, magnetoresistive effect element comprising the same, and magnetic device |
| US20110017938A1 (en) * | 2008-03-21 | 2011-01-27 | Osaka University | Half-metallic antiferromagnetic material |
| WO2011034161A1 (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | 国立大学法人大阪大学 | Half-metallic antiferromagnetic substance |
| JP2011519151A (en) * | 2008-03-12 | 2011-06-30 | ユニバーシティー・オブ・ウロンゴン | New gapless semiconductor materials |
-
2006
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011519151A (en) * | 2008-03-12 | 2011-06-30 | ユニバーシティー・オブ・ウロンゴン | New gapless semiconductor materials |
| US20110017938A1 (en) * | 2008-03-21 | 2011-01-27 | Osaka University | Half-metallic antiferromagnetic material |
| KR101294888B1 (en) * | 2008-03-21 | 2013-08-08 | 고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 오사까 다이가꾸 | Half-metallic antiferromagnetic material |
| WO2010032527A1 (en) * | 2008-09-18 | 2010-03-25 | 国立大学法人大阪大学 | Magnetoresistive effect film, magnetoresistive effect element comprising the same, and magnetic device |
| JP2010073882A (en) * | 2008-09-18 | 2010-04-02 | Osaka Univ | Magnetoresistive effect film, magnetoresistive element including the same, and magnetic device |
| WO2011034161A1 (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | 国立大学法人大阪大学 | Half-metallic antiferromagnetic substance |
| JP2011066334A (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-31 | Osaka Univ | Half-metallic antiferromagnetic substance |
| KR101380017B1 (en) | 2009-09-18 | 2014-04-02 | 고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 오사까 다이가꾸 | Half-metallic antiferromagnetic substance |
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