[科普中國]-自旋半金屬材料

自旋半金屬材料又稱半金屬材料。電子在一個自旋方向上呈現(xiàn)金屬性，也即在費(fèi)米能級處有電子態(tài)的存在；而在另一個自旋方向上呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，也即在費(fèi)米能級處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為半金屬（half-metal）材料。要與傳統(tǒng)的半金屬（導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱）區(qū)分開來。

半金屬材料簡介1983年，荷蘭Nijimegen大學(xué)的Groot1教授對half-Heusle合金NiMnSb進(jìn)行能帶計算后發(fā)現(xiàn)其具有一種特殊的新型能帶結(jié)構(gòu)，如圖所示：電子在一個自旋方向上呈現(xiàn)金屬性，也就是在費(fèi)米能級處有電子態(tài)的存在；而在另一個自旋方向上呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，也就是在費(fèi)米能級處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為半金屬（half-metal）材料。這里所指的半金屬并不是傳統(tǒng)意義上的半金屬（semi-metal，如As、Sb、Bi等），傳統(tǒng)的半金屬是導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱，因其導(dǎo)電能力介于金屬與絕緣體之間而稱為半金屬。其能帶特點(diǎn)是導(dǎo)帶與價帶之間部分重疊，價帶電子在無需熱激發(fā)的情況下便會流入能量較低的導(dǎo)帶底部。而半金屬材料是電子結(jié)構(gòu)同時具有金屬性與半導(dǎo)體性的特征，這種微觀上金屬性與半導(dǎo)體性的共存被稱為半金屬性。

性質(zhì)半金屬材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，因此其具有一些特殊的性質(zhì)：

1、它在費(fèi)米能級處的電子極化率高達(dá)100% ；

2、它的總磁矩為波爾磁矩的整數(shù)倍；

3、一些半金屬鐵磁體還具有較高的居里溫度。

這些特點(diǎn)使半金屬材料非常適合在自旋電子器件中應(yīng)用，尤其適合作為自旋注入源材料。2

分類1）以half-Heusler（半霍伊斯勒）和Heusler（全霍伊斯勒）合金為代表的三元金屬化合物：NiMnSb、PtMnSb、FeMnSb等。Half-Heusler半金屬鐵磁體材料屬于面心立方；Heusler半金屬鐵磁體具有 結(jié)構(gòu)，也屬于面心立方。這兩種合金材料都具有較大的d電了交換劈裂，并引起d帶電了傾向于費(fèi)米面極化。正常Heusler合金具有Oh對稱性，而Half-Heusler合金只具有Td對稱性，這種對稱性破缺的結(jié)果不僅導(dǎo)致時問反演對稱性的破缺（存在于所有的鐵磁材料中），而且引起空間對稱性和連接對稱性的破缺，導(dǎo)致較大的白旋劈裂。由于對稱性的破缺，伴隨有電了的鍵合和電了態(tài)的耦合及對點(diǎn)群對稱性的修正，是產(chǎn)生半金屬性的重要原因。

2）磁性金屬氧化物： 和 等。金紅石型 被廣泛地用作磁記錄材料。早在六七十年代，人們就對其磁學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)做了十分詳細(xì)的研究，但直到1986年，人們才發(fā)現(xiàn)的能帶結(jié)構(gòu)，并指出它也是一種半金屬鐵磁體，其它的一些能帶計算工作又給出了同樣的結(jié)論。美國霍布金斯大學(xué)、布朗大學(xué)和IBM公司聯(lián)合研究組用CVD法制備出單晶膜，用點(diǎn)接觸反射法測得該樣品的極化率高達(dá)0.96和0.984。

3）雙鈣鈦礦化合物： 、 。以 為例，這類半金屬鐵磁體的白旋向上的能態(tài)在費(fèi)米面附近有一個能隙，而白旋向下的能態(tài)是金屬性的，這與其它的半金屬鐵磁體剛好相反。

4）閃鋅礦型過渡金屬硫族化合物或磷族化合物：VTe，CrSe，CrTe，CrAs，MnBi，CrSb等。研究發(fā)現(xiàn)，這類半金屬鐵磁體的穩(wěn)定態(tài)是NiAs相，閃鋅礦相只是它們的亞穩(wěn)態(tài)。三個過渡金屬硫系化合物CrTe、CrSe和VTe的閃鋅礦結(jié)構(gòu)相是優(yōu)質(zhì)半金屬鐵磁體，不僅具有很寬的半金屬能隙，相對于基態(tài)相的總能還不高，大大低于閃鋅礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬V族化合物的相對總能，同時，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于己經(jīng)較好地合成出來的CrAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜（最大約5個單胞層厚）。很寬的半金屬能隙意味著可能在較高溫度下得到高自旋極化率，這已被德國Kübler教授的最新計算所證明：相對總能低并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使得足夠厚度（約5至50個單胞層）的薄膜材料或尺度足夠大的納米結(jié)構(gòu)易于通過外延生長技術(shù)獲得。這些優(yōu)異特性使得這些材料將很可能在納米尺度的自旋電子學(xué)器件中得到實(shí)際應(yīng)用。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)