新型Heusler自旋零能隙半导体的能带调控和磁输运特性研究

Spin gapless semiconductors (SGS) are a newly discovered spintronic materials characterized by the existence of a half-metallic-like spin down gap while a zero-width gap emerging in the spin up direction across the Fermi level. The unique band characteristics of SGS indicate novel transport properties and applications in spintronic devices, considering that the conducting electrons are not only 100% spin polarized but also easily excited. In this project, based on the understanding of the special band structure character of Heusler alloys, we propose a novel way to search for Heusler-type spin gapless semiconductors by tuning the band structure directly. Our first target is to set up a general physical principle to design these materials by tuning the energy gaps in Heusler alloys. On the one hand, we will experimentally synthesis a series of candidate Heusler-type spin gapless materials and investigate their magnetotransport properties. On the other hand, the typical spin gapless semiconductors, such as Mn2CoAl will be further systematically investigated, and the key focus here will be given to the materials optimization and its possible application in spin-injection devices.

自旋零能隙半导体是最近发现的一种具有极大应用潜能的自旋电子学材料。它具有高的铁磁居里温度、高载流子迁移率和100%自旋极化率等独特的物理性能。然而，目前自旋零能隙半导体的开发和研究仅局限在磁性元素掺杂的氧化物材料，导致研究对象种类单一。我们前期的理论计算和实验结果预期，通过原子占位设计和能带结构调控，可以在Heusler合金体系开发出一大类新型自旋零能隙半导体材料。本项目将在这些前期工作的基础上，进一步明确Heusler合金体系能带有效设计和调控手段，阐明自旋零能隙半导体材料的自旋电子态和磁输运性能关联，研究原子占位有序度、晶格畸变、温度和晶体取向对磁输运特性的影响规律，建立设计此类自旋电子学材料的理论框架以及相关制备工艺，将新型Heusler自旋零能隙半导体开发成自旋电子学的核心材料。

随着未来电子学器件逐渐向小型化和低能耗的发展，基于自旋调控的电子学器件将有望突破信息存储Moore定律的瓶颈，为未来信息领域带来革命性影响。因此，如何有效地将自旋注入到半导体材料中，以及自旋在半导体中传输和操控是目前半导体自旋电子学领域研究热点。据此，本项目提出开发具有高居里温度、高自旋极化率、高载流子迁移率并且与半导体性能兼容的新型自旋零能隙材料。.本项目主要研究内容包括：1. 分析Heusler合金不同原子的价电子之间杂化作用与能带结构，研发新型自旋零能隙和磁性斯格明子材料；2. 制备Mn2CoAl等自旋零能隙薄膜样品，重点研究界面对薄膜磁性和输运性质的影响；3. 建立原子占位有序度和晶体结构对其零能隙电子态和载流子迁移率和自旋注入效率的影响规律。.本项目获得主要研究结果包括：1. 确立了Heusler合金体系能带有效设计和调控手段，认识自旋零能隙半导体特殊自旋电子态和磁输运性能的关联；2. 阐明了原子占位有序度、晶体结构和晶体取向对磁输运性能的影响；3. 建立了设计此类材料体系的理论框架以及相关制备工艺，扩展了其在自旋电子学器件设计和制备中的应用。.在本项目的资助下，4年期间共发表SCI学术论文16篇,包括：Adv. Mater. 2篇，Nano Lett. 1篇，Phys. Rev. B 1 篇，Adv. Elec. Mater. 1篇，Appl. Phys. Lett. 4篇；申请发明专利3项，其中国际专利1项；培养硕士研究生2名，博士研究生3名，博士后1名；项目组成员获国家自然科学二等奖1项。