Heusler结构框架下新型磁电材料开发与单晶多层膜制备研究

In current researches on the materials with the application for both the electron charge and spin, the main problems are that Curie temperature and electron spin polarization of the materials are low; the match between the layers in multilayer materials is poor. In order to resolve these problems, in our application, we propose a new idea that the materials with high matching degree and high perfomance should be developed in the intermetallic compounds with Heusler structure. This high matching degree refers to these associated materials are very similar in the structure, lattice parameters and composition. High-performance refers to the magnetic layer material should have a high electron spin polarization (preferably 100%) and high Curie temperature (it should be up to room temperature or above), and the developed semiconductor materials should have the appropriate energy gap width. By establishing the way of the development of such magnetic-electronic materials with high-matching and high performance; developing the single crystal multilayer preparation and atom ordering method and technology, as well as the investigation on related physical properties, ultimately, we will achieve a series of magnetic semiconductors, semiconductors, magnetic semiconductors and semi-metallic materials with high Curie temperature and high spin polarization in Heusler structure. And a single crystal multilayers with [magnetic layer / semiconductor / magnetic layer] will be achieved.

本申请针对目前同时利用电子电荷和自旋属性材料中存在的居里温度低、电子自旋极化率偏低、多层膜材料之间匹配度差等问题，提出在Heusler结构下开发高匹配度、高性能的新型电磁材料的思路。这种高匹配度主要是指开发出来的材料在结构、晶格参数和成分上高度接近。高性能指的是磁性层材料应当具有极高的电子自旋极化率（最好达到100%）和高的居里温度（至少在室温以上），开发出的半导体材料应当具有适当的能隙宽度。通过建立开发此类高匹配性、高性能新型磁电材料的途径；解决一体化单晶多层膜的制备工艺和技术以及材料中原子的有序化问题等三个关键问题及开展相关工艺和物性和工艺研究，最终达到开发出一系列新的Heusler构架下的具有高居里温度，高自旋极化的稀磁半导体、半导体、磁性半导体和半金属材料。并最终利用这些相互高度匹配的材料制备出[磁性体/半导体/磁性体]一体化单晶多层膜的研究目标。

本项目是针对当前同时利用电子电荷和自旋属性材料中存在的居里温度低、电子自旋极化率偏低、多层膜材料之间匹配度差等问题而提出的。在四年执行期内，项目组通过在Heusler 结构下开发高匹配度、高性能的新型电磁材料来解决这些问题。在执行期内，我们按照计划书顺利开展工作，主要研究内容和计划书没有明显不同。项目组主要做了五方面的工作，取得了一系列成果。主要包括：1）设计了上百种新型材料，其中成功预测了Ti2基,Rh3基，Zr基等20余种半金属、自旋无能隙半导体、磁性半导体等，将人们对此类高自旋极化材料的探索推广到了4d合金领域，并且指出4d半金属合金具有更强对抗晶格畸变的能力；2）开发出了CoFeTiAl、CoMnVAl两个系列高晶格参数匹配度的半导体与高自旋极化材料，这个高匹配度源于材料中反占位诱导的高自旋极化稀磁特性。3）开发出一些列仅有轻元素构成的拓扑绝缘体，打破了只有重金属中才能产生拓扑绝缘性的传统；4）从理论和实验上，通过控制反占位数量的方法，成功在半金属CoMnGa合金中实现了磁性形状记忆效应，并以此为基础首次提出了晶格对称性不变相变的思想；5）研究了半金属性Cr3Al薄膜、CoFeTiAl半导体和反占位层多层膜的制备方法和工艺，成功制备出了高性能的半金属性Cr3Al薄膜。这些成果主要以发表论文和申请专利的形式体现。在执行期内，项目组总共发表SCI论文21篇，申请国家发明专利3项，授权1项，培养毕业博士生2名，硕士生8名，完成了项目的预定目标。项目组按照预算进行支出，没有超出预算的支出项目。