WO2011034161A1 - ハーフメタリック反強磁性体 - Google Patents

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WO2011034161A1
WO2011034161A1 PCT/JP2010/066176 JP2010066176W WO2011034161A1 WO 2011034161 A1 WO2011034161 A1 WO 2011034161A1 JP 2010066176 W JP2010066176 W JP 2010066176W WO 2011034161 A1 WO2011034161 A1 WO 2011034161A1
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magnetic
metallic
antiferromagnetic
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PCT/JP2010/066176
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久純 赤井
ロン ホアング グエン
昌子 小倉
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国立大学法人大阪大学
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/40—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4
    • H01F1/408—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4 half-metallic, i.e. having only one electronic spin direction at the Fermi level, e.g. CrO2, Heusler alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
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    • H01F1/0009—Antiferromagnetic materials, i.e. materials exhibiting a Néel transition temperature
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    • H01F1/40—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4

Definitions

  • the present invention has antiferromagnetism, and in the upward electron spin state and the downward electron spin state, one of the electron spin states exhibits a property as a metal, whereas the other electron spin state is an insulator or a semiconductor.
  • the present invention relates to a half-metallic antiferromagnetic material exhibiting the following properties.
  • Half-metallic antiferromagnetism is a concept originally proposed by Van Royken and De Groot (see Non-Patent Document 1), and half-metallic antiferromagnet is one of the upward electron spin state and the downward electron spin state.
  • Various materials have been proposed as such half-metallic antiferromagnetic materials. For example, picket performs electronic state calculation for Sr 2 VCuO 6 , La 2 MnVO 6 and La 2 MnCoO 6 having a double perovskite structure, and among these intermetallic compounds, La 2 MnVO 6 is a half-metallic antiferromagnetic material.
  • Non-Patent Document 2 See Non-Patent Document 2.
  • the present inventors have proposed various antiferromagnetic half-metallic semiconductors based on a semiconductor (see Non-Patent Documents 3 to 7) and have applied for patents (see Patent Documents 1 and 2).
  • Antiferromagnetic half-metallic semiconductors proposed by the present inventors are, for example, those obtained by substituting group II atoms or group III atoms of II-VI group compound semiconductors or III-V group compound semiconductors with two or more kinds of magnetic ions. It is.
  • the intermetallic compound La 2 MnVO 6 predicting the possibility of picket exhibiting a half-metallic antiferromagnetism is unlikely to exhibit a half-metallic antiferromagnetism, and the half-metallic antiferromagnetic property is low. It was found that even if ferromagnetism was developed, the possibility of having a stable magnetic structure was low. Also, in antiferromagnetic half-metallic semiconductors based on semiconductors, there is a strong attractive interaction between magnetic ions, so magnetic ions cluster in the matrix or cause two-phase separation in an equilibrium state, Magnetic ions are deposited in the matrix.
  • an object of the present invention is to provide a half-metallic antiferromagnetic material that is chemically stable and has a stable magnetic structure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention is a compound containing two or more kinds of magnetic elements and a halogen, and the two or more kinds of magnetic elements include a magnetic element having an effective d electron number of less than 5 and an effective number.
  • the total number of effective d electrons of the two or more kinds of magnetic elements is 10 or a value close to 10.
  • the number of effective d electrons of the magnetic element is a number obtained by subtracting the number of valence electrons used for bonding with the halogen from the total number of valence electrons of the magnetic element.
  • the total number of valence electrons of the magnetic element is a value obtained by subtracting the number of core electrons (18 for 3d transition metal elements) from the number of electrons (atomic number) in the atom.
  • the compound according to the present invention exhibits half-metallic antiferromagnetism.
  • the compound represented by the composition formula ABX 4 (A and B are magnetic elements and X is halogen) is in a non-magnetic state
  • the s state and p state of the magnetic element A and magnetic element B are the s state of the element X as shown in FIG.
  • a bonded sp state and an antibonded sp state formed with the p state each form a band, and a band composed of the d state of the magnetic element A and the d state of the magnetic element B is formed therebetween.
  • the d orbital of the magnetic element A and the d orbital of the magnetic element B are spin split by the interaction between electrons.
  • a local magnetic moment of the magnetic element A and a local magnetic moment of the magnetic element B are considered to be parallel to each other and anti-parallel to each other.
  • FIG. shows the band structure of a ferromagnetic material.
  • the energy gain by aligning the local magnetic moments in parallel with each other is caused by a slight expansion of the band.
  • the expansion of the band is a hybrid of the d state of the magnetic element A and the d state of the magnetic element B having different energies. It is caused by doing.
  • Such a band energy gain caused by the hybridization between different energy states is called superexchange interaction.
  • D the energy difference between the d orbitals of the magnetic element A and the magnetic element B, and takes a larger value as the difference in the number of effective d electrons between the magnetic element A and the magnetic element B increases.
  • the band formed from the d state is spin-split and oriented in parallel. It shows a band structure different from the state in which it is present.
  • the energy gain by aligning the local magnetic moments antiparallel to each other is that the d state of the magnetic element A and the magnetic element B degenerate in the upward spin band is strongly mixed to form a coupled d state and an anticoupled d state. This is caused mainly by electrons occupying the coupled d state.
  • the energy gain E2 due to the double exchange interaction is proportional to -t, where t is the jump integral.
  • an energy gain is generated by superexchange interaction.
  • the energy gain due to the superexchange interaction jumps and is proportional to the second order of the integral t (secondary perturbation), whereas the energy gain due to the double exchange interaction is proportional to the first order of the jump integral t (degeneration occurs).
  • First-order perturbation Therefore, in general, the double exchange interaction produces a larger energy gain than the super exchange interaction.
  • degeneration In order for the double exchange interaction to occur, degeneration must occur in the d state, and in a state where the local magnetic moments are antiparallel to each other, the effective d electron number of the magnetic element A and the effective of the magnetic element B Such degeneration occurs when the sum of the number of d electrons is 10 or a value close to 10 which is the maximum number of electrons accommodated in the 3d electron orbit.
  • the compound according to the present invention is highly likely to exhibit half-metallic antiferromagnetism in the ground state. If the total number of effective d electrons of the two types of magnetic elements is close to 10, the magnitudes of the magnetic moments of the two magnetic elements are slightly different.
  • antiferromagnetic material includes “ferrimagnetic material having no magnetization” and “ferrimagnetic material having slight magnetization”. Shall. Similarly, it is considered that half-metallic antiferromagnetism also appears when the total number of effective d electrons of three or more kinds of magnetic elements is 10 or a value close to 10.
  • the half-metallic antiferromagnetic material has a cadmium iodide type or cadmium chloride type crystal structure.
  • a compound having a cadmium iodide type or cadmium chloride type crystal structure two halogen atoms are coordinated per magnetic element.
  • the cadmium iodide type crystal structure and the cadmium chloride type crystal structure are six-coordinate, and a substance having a six-coordinate crystal structure has an insulating property with respect to the s state and the p state.
  • the band consisting of the d state of the magnetic element enters the region where the band gap existed, but in one of the upward spin band and the downward spin band, the original band gap remains and the half-metallic Will be expressed.
  • the d state of the magnetic element is hybridized with the surrounding anions, but maintains the properties of the d state as an atomic orbital and exhibits stable antiferromagnetism, leaving large magnetic splitting and local magnetic moment. It will be.
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention is not a state in which magnetic ions are precipitated in the matrix as in the case of a half-metallic antiferromagnetic semiconductor based on a semiconductor, but halogen is chemically bonded to a magnetic element. It is a compound, and its bond is sufficiently strong, and it can be said that the compound is stable from the calculation of generation energy. It is also known that many similar transition metal halides exist stably. Further, since the chemical bond between the magnetic ion and the halogen is strong, the chemical bond between the magnetic ions via the halogen is also strong. Here, the magnetic bond is due to the magnetic moment of the chemical bond, and it can be said that the stronger the chemical bond, the stronger the magnetic bond. Therefore, it can be said that the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention has strong magnetic coupling and a stable magnetic structure.
  • the present inventors have applied for a patent on a half-metallic antiferromagnetic chalcogenide composed of two or more kinds of magnetic elements and chalcogen, and a half-metallic antiferromagnetic pnictide composed of two or more kinds of magnetic elements and pnictogen (specialty).
  • chalcogen is divalent and pnictogen is trivalent, whereas halogen is monovalent, so that the compound according to the present invention (halide) is a half-metallic antiferromagnetic chalcogenide And it does not have the chemical composition of ABX 2 (A and B are magnetic elements, X is chalcogen or pnictogen) unlike the half-metallic antiferromagnetic pnictide, and has the chemical composition of ABX 4 as described above. For this reason, the distance between the magnetic elements in the compound according to the present invention is more than 15% farther than chalcogenides and pnictides, and greatly contributes to the exchange splitting of the magnetic elements.
  • the compounds according to the present invention are considered to be more stable and easier to prepare than chalcogenides and pnictides. Although it can be theoretically explained that the compound according to the present invention exhibits half-metallic antiferromagnetism as described above, whether or not it actually exhibits half-metallic antiferromagnetism is described later. This is only clarified by performing the one-principles electronic state calculation.
  • the half-metallic antiferromagnetic material is composed of two kinds of magnetic elements and halogen, and the two kinds of magnetic elements are any of Cr and Fe, V and Co, and Ti and Ni. Or one combination.
  • the sum of is 10.
  • FIG. 1 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of CrFeI 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 2 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of CrFeBr 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 3 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of CrFeCl 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 4 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of VCoCl 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 5 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of VCoBr 4 having a CdI type 2 crystal structure.
  • FIG. 6 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of VCoI 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 7 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of TiNiI 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 8 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of TiNiBr 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 9 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of CrFeCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 10 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of CrFeI 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 11 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of TiNiBr 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 12 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of TiNiCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • FIG. 13 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of VCoBr 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • FIG. 14 is a graph showing the electronic state density in the antiferromagnetic state of VCoCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • Figure 15 is a conceptual diagram of a state density curve in a non-magnetic state of a compound represented by a composition formula ABX 4.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram of a state density curve in the ferromagnetic state of the above compound.
  • FIG. 17 is a conceptual diagram of a state density curve in an antiferromagnetic state of the above compound
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention is an intermetallic compound having a cadmium iodide (CdI 2 ) type or cadmium chloride (CdCl 2 ) type crystal structure, and comprises two or more kinds of magnetic elements and halogen. It is configured.
  • the two or more kinds of magnetic elements include a magnetic element having less than 5 effective d electrons and a magnetic element having more than 5 effective d electrons, and the number of effective d electrons of the two or more kinds of magnetic elements. Is the sum of 10 or a value close to 10.
  • halogen is any element of Cl, Br, and I.
  • the two kinds of transition metal elements are any one combination of Cr and Fe, V and Co, and Ti and Ni.
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention can be prepared by a solid-phase reaction method.
  • a quartz glass tube After annealing and heating to 1000 ° C. or higher, annealing is performed. It is also possible to prepare by a laser ablation method.
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention is not a state in which magnetic ions are precipitated in the matrix as in the case of a half-metallic antiferromagnetic semiconductor based on a semiconductor, but halogen is chemically bonded to a magnetic element. It is a compound, and its bond is sufficiently strong, and it can be said that the compound is stable from the calculation of generation energy. It is also known that many similar transition metal halides exist stably. Further, since the chemical bond between the magnetic ion and the halogen is strong, the chemical bond between the magnetic ions via the halogen is also strong. Here, the magnetic bond is due to a magnetic moment among the chemical bonds. If the chemical bond is strong, it can be said that the magnetic bond is also strong. Therefore, it can be said that the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention has strong magnetic coupling and a stable magnetic structure. Furthermore, the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention can be easily prepared as described above.
  • the half-metallic antiferromagnetic material is useful as a spintronic material because the Fermi surface is 100% spin-polarized.
  • half-metallic antiferromagnetic materials are stable against external perturbations because they do not have magnetization, and they do not generate shape magnetic anisotropy, so there is a possibility that spin reversal due to current or spin injection can be easily realized. It is expected to be applied to wider fields such as high performance magnetic memory and magnetic head materials.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of this example is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by the composition formula CrFeI 4 .
  • the present inventors performed the first principle electronic state calculation to confirm that the transition metal halide of this example has a half-metallic antiferromagnetism.
  • KKR Kerringa-kohn-Rostoker
  • CPA Coherent-Potential Approximation
  • LDA Local-Density
  • FIG. 1 shows a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of CrFeI 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • 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 Fe
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr.
  • 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.
  • the density of states of upward spin electrons is greater than zero near the Fermi energy.
  • the state of the downward spin electrons shows the property as a semiconductor
  • the state of the upward spin electrons shows the property as a metal
  • a half-metallic property is developed.
  • both integrated values were equal. Therefore, Fe and Cr cancel each other's magnetic moment, and the magnetization is 0 as a whole. It can be said that antiferromagnetism is manifested.
  • paramagnetic state energy the energy in the paramagnetic state obtained from the state density curve in the paramagnetic state
  • strong the energy in the ferromagnetic state obtained from the state density curve in the ferromagnetic state
  • antiferromagnetic state energy the energy in the antiferromagnetic state obtained from the paramagnetic state energy and the state density curve in the antiferromagnetic state
  • the transition metal halide of this example has a half-metallic antiferromagnetic property.
  • the magnetic transition temperature (Nehl temperature) for transition from the antiferromagnetic state to the paramagnetic state was calculated to be 464K.
  • the Neel temperature was calculated by a known method for evaluating from the difference between the energy in the paramagnetic state and the energy in the antiferromagnetic state (J. Phys .: Condens. Matter 19 (2007) 365215, Physica Status Solidi C3, (2006) 4160 (2006)).
  • the half-metallic antiferromagnetic material of this example is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by the composition formula CrFeBr 4 .
  • FIG. 2 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of CrFeBr 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • 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 Fe
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by the composition formula CrFeCl 4 .
  • FIG. 3 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of CrFeCl 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • 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 Fe
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by the composition formula VCoCl 4 .
  • FIG. 4 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of VCoCl 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • 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
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Co. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by the composition formula VCoBr 4 .
  • FIG. 5 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of VCoBr 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • the solid line in the figure represents the total state density
  • the dotted line represents the local state density at the Co 3d orbital position
  • the broken line represents the local state density at the V 3d orbital position. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • a half-metallic antiferromagnetic material of this example is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by a composition formula VCoI 4 .
  • FIG. 6 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of VCoI 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • the solid line in the figure represents the total state density
  • the dotted line represents the local state density at the Co 3d orbital position
  • the broken line represents the local state density at the V 3d orbital position. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present example is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by the composition formula TiNiI 4 .
  • FIG. 7 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of TiNiI 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • 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 Ni
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Ti. According to the state density curve shown by the solid line in the figure, the half-metallic property does not appear within the range of the local density approximation method.
  • half-metallicity does not appear within the range of the local density approximation method, but Ni and Fe halides are in the vicinity of the metal-insulator transition, and are known as systems that are greatly affected by electron-electron interaction.
  • the local density approximation method tends to estimate the exchange splitting small, and if a self-interaction correction or the like is performed to correct this point, it is expected that half-metallicity will appear. Therefore, it can be said that the transition metal halide of this example is highly likely to exhibit half-metallic antiferromagnetism.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present example is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by the composition formula TiNiBr 4 .
  • FIG. 8 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of TiNiBr 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • 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 Ti
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Ni. According to the state density curve shown by the solid line in the figure, the half-metallic property does not appear within the range of the local density approximation method.
  • half-metallicity does not appear within the range of the local density approximation method, but Ni and Fe halides are in the vicinity of the metal-insulator transition, and are known as systems that are greatly affected by electron-electron interaction.
  • the local density approximation method tends to estimate the exchange splitting small, and if a self-interaction correction or the like is performed to correct this point, it is expected that half-metallicity will appear. Therefore, it can be said that the transition metal halide of this example is highly likely to exhibit half-metallic antiferromagnetism.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by a composition formula CrFeCl 4 .
  • FIG. 9 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of CrFeCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • 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 Fe
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • a half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by a composition formula CrFeI 4 .
  • FIG. 10 shows a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of CrFeI 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • 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 Fe
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Cr. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present example is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by the composition formula TiNiBr 4 .
  • FIG. 11 shows a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of TiNiBr 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • 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 Ni
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Ti.
  • the magnetic structure is a stable magnetic structure. Furthermore, the Neel temperature was calculated to be 333K. As described above, half-metallicity does not appear within the range of the local density approximation method, but Ni and Fe halides are in the vicinity of the metal-insulator transition, and are known as systems that are greatly affected by electron-electron interaction. For such a system, the local density approximation method tends to estimate the exchange splitting small, and if a self-interaction correction or the like is performed to correct this point, it is expected that half-metallicity will appear. Therefore, it can be said that the transition metal halide of this example is highly likely to exhibit half-metallic antiferromagnetism.
  • a half-metallic antiferromagnetic material of the 12th embodiment this embodiment has a crystal structure of CdI 2 type (hexagonal), a transition metal halide represented by the composition formula TiNiCl 4.
  • FIG. 12 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of TiNiCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • 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 Ni
  • the broken line represents the local state density at the 3d orbital position of Ti. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of the present embodiment is a transition metal halide having a CdCl 2 type (trigonal crystal close to cubic) crystal structure and represented by a composition formula VCoBr 4 .
  • FIG. 13 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of VCoBr 4 having a CdCl 2 type crystal structure.
  • the solid line in the figure represents the total state density
  • the dotted line represents the local state density at the Co 3d orbital position
  • the broken line represents the local state density at the V 3d orbital position. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material of this example is a transition metal halide having a CdI 2 type (hexagonal) crystal structure and represented by the composition formula VCoCl 4 .
  • FIG. 14 represents a state density curve in an antiferromagnetic state obtained by conducting the first principle electronic state calculation of VCoCl 4 having a CdI 2 type crystal structure.
  • the solid line in the figure represents the total state density
  • the dotted line represents the local state density at the Co 3d orbital position
  • the broken line represents the local state density at the V 3d orbital position. It can be said that the half-metallic property is expressed from the state density curve shown by the solid line in the figure.
  • the half-metallic antiferromagnetic material according to the present invention is chemically stable and has a stable magnetic structure.
  • the transition metal halides of the first to third embodiments, the ninth embodiment, the tenth embodiment, and the twelfth embodiment have a Neel temperature exceeding room temperature, and devices using these transition metal halides. Since it can perform stable operation at room temperature, it is promising as a half-metallic antiferromagnetic material.
  • half-metallic antiferromagnetism may appear as a combination of two or more kinds of magnetic elements and halogen other than the above-described combination in which the first principle electronic state calculation is performed.

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Abstract

　化学的に安定で、然も安定な磁気構造を有するハーフメタリック反強磁性体を提供する。　本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、２種類以上の磁性元素とハロゲンとを含む化合物であって、前記２種類以上の磁性元素には、有効ｄ電子数が５より少ない磁性元素と有効ｄ電子数が５より多い磁性元素とが含まれている。そして、前記２種類以上の磁性元素の有効ｄ電子数の総和は１０或いは１０に近い値である。

Description

ハーフメタリック反強磁性体
　本発明は、反強磁性を有し、且つ上向き電子スピン状態及び下向き電子スピン状態の内、一方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反強磁性体に関するものである。
　ハーフメタリック反強磁性は、ファン・ロイケンとド・グルートによって最初に提案された概念であり(非特許文献１参照)、ハーフメタリック反強磁性体は、上向き電子スピン状態及び下向き電子スピン状態の内、一方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物質である。
　この様なハーフメタリック反強磁性体として、従来、種々の物質が提案されている。例えば、ピケットは、２重ペロフスカイト構造を有するＳｒ２ＶＣｕＯ６、Ｌａ２ＭｎＶＯ６、Ｌａ２ＭｎＣｏＯ６について電子状態計算を行ない、これらの金属間化合物の内、Ｌａ２ＭｎＶＯ６がハーフメタリック反強磁性を示す可能性があることを予言した(非特許文献２参照)。
　又、本発明者らは、半導体を母体とした種々の反強磁性ハーフメタリック半導体を提案し(非特許文献３乃至７参照)、特許出願中である(特許文献１及び２参照)。本発明者らが提案している反強磁性ハーフメタリック半導体は、例えばII－VI族化合物半導体やIII－Ｖ族化合物半導体のII族原子やIII族原子を２種類以上の磁性イオンで置換したものである。具体的には、(ＺｎＣｒＦｅ)Ｓ、(ＺｎＶＣｏ)Ｓ、(ＺｎＣｒＦｅ)Ｓｅ、(ＺｎＶＣｏ)Ｓｅ、(ＧａＣｒＮｉ)Ｎ、(ＧａＭｎＣｏ)Ｎ等を提案している。
ＷＯ２００６／０２８２９９号公報 特開２００８－０４７６２４号公報
vanLeuken and de Groot, Phys. Rev. Lett. 74,1171(1995) W.E.Pickett, Phys. Rev. B57,10613(1998) H.Akai and M.Ogura, Phys. Rev.Lett. 97, 06401(2006) M.Ogura, Y.Hashimoto and H.Akai,Physica Status Solidi C 3, 4160(2006) M.Ogura, C.Takahashi and H.Akai,Journal of Physics: Condens. Matter 19, 365226(2007) H.Akai and M.Ogura, Journal ofPhysics D:Applied Physics 40, 1238(2007) H.Akai and M.Ogura, HyperfineInteractions (2008) in press
　しかしながら、本発明者らの研究の結果、ピケットがハーフメタリック反強磁性を示す可能性を予言した金属間化合物Ｌａ２ＭｎＶＯ６は、ハーフメタリック反強磁性を発現する可能性は低く、ハーフメタリック反強磁性を発現したとしても安定な磁気構造を有する可能性は低いことが判明した。又、半導体を母体とした反強磁性ハーフメタリック半導体においては、磁性イオン間に強い引力的相互作用があるため、母体中で磁性イオンがクラスター化して、或いは平衡状態では二相分離を起こして、母体中に磁性イオンが析出した状態となる。従って、結晶状態を組み難く、化学的に不安定である問題がある。又、化学結合が弱いため、磁気的結合も弱く、磁気構造が不安定である問題がある。
　そこで本発明の目的は、化学的に安定で、然も安定な磁気構造を有するハーフメタリック反強磁性体を提供することである。
　本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、２種類以上の磁性元素とハロゲンとを含む化合物であって、前記２種類以上の磁性元素には、有効ｄ電子数が５より少ない磁性元素と有効ｄ電子数が５より多い磁性元素とが含まれており、前記２種類以上の磁性元素の有効ｄ電子数の総和は１０或いは１０に近い値である。
　磁性元素の有効ｄ電子数は、磁性元素の全価電子数から、ハロゲンとの結合のために使われる価電子数を減算した数である。ここで、磁性元素の全価電子数は、原子中の電子の数(原子番号)からコア電子の数(３ｄ遷移金属元素にあっては１８)を減算した値である。
　本発明に係るハーフメタリック反強磁性体として、例えばＣｒＦｅＩ４が挙げられる。ＣｒとＦｅはそれぞれ１対２の割合で再隣接ハロゲンと結合を作り、ハロゲンは１価であるため、Ｃｒ(原子番号２４)とＦｅ(原子番号２６)の有効ｄ電子数はそれぞれ、４個(＝２４－１８－２)と６個(=２６－１８－２)となる。
　上記本発明に係る化合物がハーフメタリック反強磁性を発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、磁性元素が２種類である場合について説明する。
　組成式ＡＢＸ４(Ａ及びＢは磁性元素、Ｘはハロゲン)で表わされる化合物は非磁性状態では、図１５に示す如く磁性元素Ａ及び磁性元素Ｂのｓ状態及びｐ状態が元素Ｘのｓ状態及びｐ状態と作る結合ｓｐ状態及び反結合ｓｐ状態がそれぞれバンドを形成しており、その間に磁性元素Ａのｄ状態及び磁性元素Ｂのｄ状態からなるバンドが形成されている。
　磁性元素Ａのｄ軌道及び磁性元素Ｂのｄ軌道は、電子間相互作用によりスピン分裂する。このとき、磁気的状態としては、磁性元素Ａの局所磁気モーメントと磁性元素Ｂの局所磁気モーメントとが互いに平行に向いている状態と反平行に向いている状態とが考えられる。尚、局所磁気モーメントがばらばらな方向を向いている常磁性状態や、その他の複雑な状態も考えられるが、局所磁気モーメントが平行に向いている状態と反平行に向いている状態の２つの状態について検討すれば十分である。
　磁性元素Ａの局所磁気モーメントと磁性元素Ｂの局所磁気モーメントとが互いに平行に向いている状態では、図１６に示す如く、ｄ状態から作られるバンド(ｄバンド)は交換分裂して典型的な強磁性体のバンド構造を示すことになる。ここで、局所磁気モーメントを互いに平行に揃えることによるエネルギー利得は、バンドが少し広がることによって生じ、このバンドの広がりは、エネルギーの異なる磁性元素Ａのｄ状態と磁性元素Ｂのｄ状態とが混成することによって生じる。この様に、異なるエネルギー状態間の混成によってバンドエネルギー利得が生じることを超交換相互作用という。磁性元素Ａと磁性元素Ｂの間のｄ状態の混成の強さを表わす飛び移り積分をｔとすると、局所磁気モーメントを互いに平行に揃えることによるエネルギー利得Ｅ１は、下記数１で表わされる。
(数１)
　　　Ｅ１＝－｜ｔ｜２／Ｄ
　ここで、Ｄは磁性元素Ａと磁性元素Ｂのｄ軌道のエネルギー差であり、磁性元素Ａと磁性元素Ｂの有効ｄ電子数の差が大きい程大きな値をとる。
　一方、磁性元素Ａの局所磁気モーメントと磁性元素Ｂの局所磁気モーメントとが互いに反平行に向いている状態では、図１７に示す如く、ｄ状態から作られるバンドはスピン分裂して、平行に向いている状態とは異なるバンド構造を示すことになる。局所磁気モーメントを互いに反平行に揃えることによるエネルギー利得は、上向きスピンバンドにおいてエネルギー的に縮退した磁性元素Ａと磁性元素Ｂのｄ状態が強く混成して結合ｄ状態と反結合ｄ状態を作り、結合ｄ状態を主として電子が占めることによって生じる。この様に、エネルギー的に縮退した状態間の混成によってバンドエネルギー利得が生じることを二重交換相互作用という。二重交換相互作用によるエネルギー利得Ｅ２は、飛び移り積分をｔとすると、－ｔに比例する。又、下向きスピンバンドにおいては、強磁性の場合と同様に、超交換相互作用によるエネルギー利得が生じる。
　超交換相互作用によるエネルギー利得が飛び移り積分ｔの２次に比例(二次摂動)するのに対して、二重交換相互作用によるエネルギー利得は飛び移り積分ｔの１次に比例(縮退が起こる場合の一次摂動)する。従って、一般に、超交換相互作用よりも二重交換相互作用の方が大きなエネルギー利得を生じる。二重交換相互作用が生じるためには、ｄ状態に縮退が起こらなければならず、局所磁気モーメントが互いに反平行に向いている状態では、磁性元素Ａの有効ｄ電子数と磁性元素Ｂの有効ｄ電子数の和が３ｄ電子軌道の最大収容電子数である１０或いは１０に近い値であるときに、この様な縮退が起こる。
　上述の如く、有効ｄ電子数の和が１０或いは１０に近い値であるときには、ＡとＢの局所磁気モーメントは互いに反平行に向いた方がエネルギー的に有利である。又、強磁性交換分裂の２倍に相当する大きな交換分裂の効果を受ける下向きスピンバンドにおいては、図１７に示す如く、大きなギャップが形成され、フェルミエネルギーがギャップの中央付近に位置することになる。
　以上のことから、上記本発明に係る化合物は、ハーフメタリック反強磁性を基底状態で発現する可能性が高いと言える。
　尚、２種類の磁性元素の有効ｄ電子数の総和が１０に近い値である場合には、両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化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が、本願特許請求の範囲及び明細書においては、「反強磁性体」に「磁化を持たないフェリ磁性体」及び「僅かに磁化を持つフェリ磁性体」が含まれるものとする。
　又、３種類以上の磁性元素の有効ｄ電子数の総和が１０或いは１０に近い値である場合にも、同様に、ハーフメタリック反強磁性が発現すると考えられる。
　具体的には、前記ハーフメタリック反強磁性体は、ヨウ化カドミウム型或いは塩化カドミウム型の結晶構造を有している。
　ヨウ化カドミウム型或いは塩化カドミウム型の結晶構造を有する化合物においては、磁性元素当たりハロゲンを２個ずつ配位することになる。又、ヨウ化カドミウム型結晶構造及び塩化カドミウム型結晶構造は６配位であり、６配位の結晶構造を有する物質は、ｓ状態やｐ状態に関して絶縁体的な性質を有している。本来はバンドギャップが存在した領域に磁性元素のｄ状態からなるバンドが割り込んでくるのであるが、上向きスピンバンド及び下向きスピンバンドの内、一方のスピンバンドでは、本来のバンドギャップが残ってハーフメタリックが発現することになる。又、磁性元素のｄ状態は周りの陰イオンと混成するのであるが、原子軌道としてのｄ状態の性質を保っており、大きな磁気分裂と局所磁気モーメントを残して安定な反強磁性を発現することになる。
　上記本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、半導体を母体としたハーフメタリック反強磁性半導体の様に磁性イオンが母体中に析出した状態ではなく、ハロゲンが磁性元素と互いに化学結合してなる化合物であって、その結合は十分に強く、生成エネルギーの計算からも安定な化合物であると言える。尚、類似する多くの遷移金属ハライドが安定に存在することも知られている。
　又、磁性イオンとハロゲンとの化学結合が強いため、ハロゲンを介した磁性イオン間の化学結合も強い。ここで、磁気的結合は化学結合の内、磁気モーメントによるものであり、化学結合が強ければ磁気的結合も強いと言える。従って、本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、磁気的結合が強く、磁気的構造は安定であると言える。
　ところで、本発明者らは、２種類以上の磁性元素とカルコゲンとからなるハーフメタリック反強磁性カルコゲナイド、及び２種類以上の磁性元素とプニクトゲンとからなるハーフメタリック反強磁性プニクタイドについて特許出願中(特願２００８－０７３９１７)であるが、カルコゲンが２価、プニクトゲンが３価であるのに対して、ハロゲンは１価であるため、上記本発明に係る化合物(ハライド)は、ハーフメタリック反強磁性カルコゲナイド及びハーフメタリック反強磁性プニクタイドの様にＡＢＸ２(Ａ及びＢは磁性元素、Ｘはカルコゲン或いはプニクトゲン)の化学組成をもたず、上述の如くＡＢＸ４の化学組成をもつ。このため、本発明に係る化合物における磁性元素間の距離は、カルコゲナイド及びプニクタイドに比べて１５％以上遠く、磁性元素の交換分裂に大きく寄与している。一方、陰イオンがカルコゲナイド及びプニクタイドに比べて２倍存在するために金属的な広いバンドが確保されており、高い磁気転移温度が得られる。又、イオン性の高いハライドが配位しているため、結晶場分裂は大きくなく高スピン状態が維持される。以上のことから、本発明に係る化合物は、カルコゲナイド及びプニクタイドよりも安定で、且つ調製も容易であると考えられる。
　尚、本発明に係る化合物がハーフメタリック反強磁性を発現することは上述の如く理論的に説明することが可能であるが、実際にハーフメタリック反強磁性を発現するかどうかは、後述の第１原理電子状態計算を行なうことによって初めて判明するものである。
　具体的には、前記ハーフメタリック反強磁性体は、２種類の磁性元素とハロゲンとから構成されており、該２種類の磁性元素は、ＣｒとＦｅ、ＶとＣｏ、及びＴｉとＮｉの何れか１つの組合せである。上述の如く、Ｃｒ(原子番号２４)とＦｅ(原子番号２６)の有効ｄ電子数はそれぞれ４個(＝２４－１８－２)と６個(=２６－１８－２)となるので、それらの総和は１０となる。又、Ｖ(原子番号２３)とＣｏ(原子番号２７)の有効ｄ電子数はそれぞれ３個(＝２３－１８－２)と７個(＝２７－１８－２)となるので、それらの総和は１０となる。更に、Ｔｉ(原子番号２２)とＮｉ(原子番号２８)の有効ｄ電子数はそれぞれ２個(＝２２－１８－２)と８個(＝２８－１８－２)となるので、それらの総和は１０となる。
　本発明によれば、化学的に安定に存在し、然も安定な磁気構造を有するハーフメタリック反強磁性体を実現することが出来る。
図１はＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＩ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図２はＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＢｒ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図３はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＣｌ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図４はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＶＣｏＣｌ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図５はＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＢｒ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図６はＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＩ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図７はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＩ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図８はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＢｒ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図９はＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＣｌ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１０はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＩ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１１はＣｄＩ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＢｒ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１２はＣｄＩ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＣｌ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１３はＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＶＣｏＢｒ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１４はＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＣｌ４の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。 図１５は組成式ＡＢＸ４で表わされる化合物の非磁性状態での状態密度曲線の概念図である。 図１６は上記化合物の強磁性状態での状態密度曲線の概念図である。 図１７は上記化合物の反強磁性状態での状態密度曲線の概念図である。
　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。
　本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、ヨウ化カドミウム(ＣｄＩ２)型或いは塩化カドミウム(ＣｄＣｌ２)型の結晶構造を有する金属間化合物であって、２種類以上の磁性元素とハロゲンとから構成されている。前記２種類以上の磁性元素には、有効ｄ電子数が５より少ない磁性元素と有効ｄ電子数が５より多い磁性元素とが含まれており、前記２種類以上の磁性元素の有効ｄ電子数の総和は１０或いは１０に近い値である。ここで、ハロゲンは、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩの何れかの元素である。
　具体的には、２種類の遷移金属元素とハロゲンとから構成され、組成式ＡＢＸ４(Ａ及びＢは遷移金属元素、Ｘはハロゲン)で表わされる。ここで、２種類の遷移金属元素は、ＣｒとＦｅ、ＶとＣｏ及びＴｉとＮｉの何れか１つの組合せである。尚、３種類以上の遷移金属元素とハロゲンとから構成することも可能である。
　上記本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、固相反応法により調製することが可能であって、調製工程においては、粉末化した磁性元素とハロゲンとを十分に混合した後、クオーツガラス管に封入して１０００℃以上に加熱した後、アニール処理を行なう。尚、レーザーアブレーション法によって調製することも可能である。
　上記本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、半導体を母体としたハーフメタリック反強磁性半導体の様に磁性イオンが母体中に析出した状態ではなく、ハロゲンが磁性元素と互いに化学結合してなる化合物であって、その結合は十分に強く、生成エネルギーの計算からも安定な化合物であると言える。尚、類似する多くの遷移金属ハライドが安定に存在することも知られている。
　又、磁性イオンとハロゲンとの化学結合が強いため、ハロゲンを介した磁性イオン間の化学結合も強い。ここで、磁気的結合は化学結合の内、磁気モーメントによるものであり、化学結合が強ければ、磁気的結合も強いと言える。従って、本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、磁気的結合が強く、磁気的構造は安定であると言える。
　更に、本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、上述の如く容易に調製することが出来る。
　ハーフメタリック反強磁性体は、フェルミ面が１００％スピン分極した物質であるので、スピントロニクス材料として有用である。又、ハーフメタリック反強磁性体は、磁化を持たないため外部の摂動に対して安定であると共に、形状磁気異方性を生じないため電流やスピン注入によるスピン反転が容易に実現できる可能性が高く、高性能磁気メモリや磁気ヘッド材料等のより広い分野への応用が期待される。
第１実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＣｒＦｅＩ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　本発明者らは、本実施例の遷移金属ハライドがハーフメタリック反強磁性を有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方法としては、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(月刊「化学工業　Vol.53,　No.4(2002)」pp.20-24、「システム／制御／情報　Vol.48,　No.7」pp.256-260)。
　図１は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＩ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。
　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いる。この様に、下向きスピン電子の状態は半導体としての性質を示す一方、上向きスピン電子の状態は金属としての性質を示しており、ハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合って全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態での状態密度曲線から得られる常磁性状態でのエネルギー(以下、常磁性状態エネルギーという)と強磁性状態での状態密度曲線から得られる強磁性状態でのエネルギー(以下、強磁性状態エネルギーという)との差を計算すると－０.００５９２３６Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態での状態密度曲線から得られる反強磁性状態でのエネルギー(以下、反強磁性状態エネルギーという)との差を計算すると－０.００８８２２２Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、反強磁性状態から常磁性状態に移行する磁気転移温度(ネール温度)を計算すると、４６４Ｋであった。ここで、ネール温度は、常磁性状態でのエネルギーと反強磁性状態でのエネルギーとの差から評価する公知の方法によって算出した(J.Phys.：Condens.　Matter　19(2007)365215,　Physica　Status　Solidi　C3,　(2006)4160(2006))。
第２実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＣｒＦｅＢｒ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図２は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＢｒ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００８５１３１Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０１２０１５５Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、６３２Ｋであった。
第３実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＣｒＦｅＣｌ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図３は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＣｌ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０１７８４８２Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０２０３８０８Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、１０７２Ｋであった。
第４実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＶＣｏＣｌ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図４は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＶＣｏＣｌ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合って全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００１８８４７Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００２７３０９Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、１４３Ｋであった。
第５実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＶＣｏＢｒ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図５は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＢｒ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００１５６１６Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００２３７６３Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、１２５Ｋであった。
第６実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＶＣｏＩ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図６は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＩ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０００８０５５Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００１１０５７Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、５８Ｋであった。
第７実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＴｉＮｉＩ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図７は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＩ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＮｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＴｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。
　図中に実線で示す状態密度曲線によれば、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックは発現していない。一方、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、ＮｉとＴｉが互いの磁気モーメントを打ち消し合って全体として磁化が０となっており、反強磁性は発現していると言える。又、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００５３２１０Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００６６５９５Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。更に、ネール温度を計算すると、３５０Ｋであった。
　上述の如く、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックは発現しないが、Ｎｉ、Ｆｅのハライドは金属・絶縁体転移の近傍であり、電子間相互作用の影響が大きい系として知られている。この様な系に対しては、局所密度近似法では交換分裂を小さく見積もる傾向があり、この点を補正するために自己相互作用補正等を行なえば、ハーフメタリックが発現すると予想される。従って、本実施例の遷移金属ハライドがハーフメタリック反強磁性を発現する可能性は高いと言える。
第８実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＴｉＮｉＢｒ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図８は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＢｒ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＴｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＮｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。
　図中に実線で示す状態密度曲線によれば、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックは発現していない。一方、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０となっており、反強磁性は発現していると言える。又、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると＋０.０００７０２９Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０００９８２４Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。更に、ネール温度を計算すると、５１Ｋであった。
　上述の如く、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックは発現しないが、Ｎｉ、Ｆｅのハライドは金属・絶縁体転移の近傍であり、電子間相互作用の影響が大きい系として知られている。この様な系に対しては、局所密度近似法では交換分裂を小さく見積もる傾向があり、この点を補正するために自己相互作用補正等を行なえば、ハーフメタリックが発現すると予想される。従って、本実施例の遷移金属ハライドがハーフメタリック反強磁性を発現する可能性は高いと言える。
第９実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＣｒＦｅＣｌ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図９は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＣｌ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００８５７６６Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０１０２１０２Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、５３７Ｋであった。
第１０実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＣｒＦｅＩ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図１０は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＣｒＦｅＩ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００７８９３１Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.０１０３４２７Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、５５０Ｋであった。
第１１実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＴｉＮｉＢｒ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図１１は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＢｒ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＮｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＴｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。
　図中に実線で示す状態密度曲線から、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックに極めて近い性質が発現しているがハーフメタリックが発現しているとは言えない。一方、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０となっており、反強磁性は発現していると言える。又、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００４０６２５Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００６３３９１Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。更に、ネール温度を計算すると、３３３Ｋであった。
　上述の如く、局所密度近似法の範囲ではハーフメタリックは発現しないが、Ｎｉ、Ｆｅのハライドは金属・絶縁体転移の近傍であり、電子間相互作用の影響が大きい系として知られている。この様な系に対しては、局所密度近似法では交換分裂を小さく見積もる傾向があり、この点を補正するために自己相互作用補正等を行なえば、ハーフメタリックが発現すると予想される。従って、本実施例の遷移金属ハライドがハーフメタリック反強磁性を発現する可能性は高いと言える。
第１２実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＴｉＮｉＣｌ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図１２は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＴｉＮｉＣｌ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＮｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＴｉの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００５５７３７Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００６２５２９Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、３２９Ｋであった。
第１３実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＣｌ２型(立方晶に近い三方晶)の結晶構造を有し、組成式ＶＣｏＢｒ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図１３は、ＣｄＣｌ２型結晶構造を有するＶＣｏＢｒ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００１４３５４Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００１８１３７Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、９５Ｋであった。
第１４実施例
　本実施例のハーフメタリック反強磁性体は、ＣｄＩ２型(六方晶)の結晶構造を有し、組成式ＶＣｏＣｌ４で表わされる遷移金属ハライドである。
　図１４は、ＣｄＩ２型結晶構造を有するＶＣｏＣｌ４について第１原理電子状態計算を行なうこと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。図中の実線は全状態密度、点線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。図中に実線で示す状態密度曲線からハーフメタリックが発現していると言える。又、上向きスピン全電子状態密度及び下向きスピン全電子状態密度をそれぞれフェルミエネルギーまで積分した結果、両積分値が等しかったことから、全体として磁化が０になっており、反強磁性が発現していると言える。更に、常磁性状態エネルギーと強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００５１６６３Ｒｙ、常磁性状態エネルギーと反強磁性状態エネルギーとの差を計算すると－０.００６２９６１Ｒｙであったことから、反強磁性状態が安定な磁気構造であると言える。従って、本実施例の遷移金属ハライドはハーフメタリック反強磁性を有すると言える。
　又、ネール温度を計算すると、２７８Ｋであった。
　本発明に係るハーフメタリック反強磁性体は、化学的に安定で、然も、安定な磁気構造を有している。特に、上記の第１実施例乃至第３実施例、第９実施例、第１０実施例及び第１２実施例の遷移金属ハライドは、室温を超えるネール温度を有しており、これらを用いたデバイスは室温で安定した動作を行なうことが出来るので、ハーフメタリック反強磁性体として有望である。
　尚、２種類以上の磁性元素とハロゲンとの組合せとしては、第１原理電子状態計算を行なった上記組合せ以外であっても、ハーフメタリック反強磁性が発現する可能性はあると考えられる。

Claims (5)

  1. 　２種類以上の磁性元素とハロゲンとを含む化合物であって、前記２種類以上の磁性元素には、有効ｄ電子数が５より少ない磁性元素と有効ｄ電子数が５より多い磁性元素とが含まれており、前記２種類以上の磁性元素の有効ｄ電子数の総和は１０或いは１０に近い値であるハーフメタリック反強磁性体。
  2. 　ヨウ化カドミウム型或いは塩化カドミウム型の結晶構造を有している請求項１に記載のハーフメタリック反強磁性体。
  3. 　２種類の磁性元素とハロゲンとから構成されている請求項１又は請求項２に記載のハーフメタリック反強磁性体。
  4. 　前記２種類の磁性元素は、ＣｒとＦｅ、ＶとＣｏ、及びＴｉとＮｉの何れか１つの組合せである請求項３に記載のハーフメタリック反強磁性体。
  5. 　前記ハロゲンは、塩素、臭素及びヨウ素の何れかの元素である請求項１乃至請求項４の何れかに記載のハーフメタリック反強磁性体。
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