新型自旋零能隙半导体材料的开发及其物性的研究

The spintronic devices with the high efficiency and low energy dissipation are desired in the development of new-generation electronic devices in future. The spin gapless semiconductor (SGS) is proposed to be one of the most promising candidates as a key material in spintronic devices due to its zero energy gap, high carrier mobility, full spin-polarization of conductive electrons and low energy dissipation. Searching for new SGS and developing the SGS with highly stable zero energy gap have been the most important issue. In this project, we will propose a new idea to find SGS material according to our previous study on the different origins of the energy gap in spin-up and spin-down channels. To improve the stability of zero energy gap in SGS, a theoretical design and experimental works to investigate the reverse band structure will also be carried out. The main contents will involve the investigations on the band structure, the preparation methods, magnetism, Hall effect and magnetoresistance in this project. Finally, we expect that a series of new SGS material with excellent performances can be achieved, the field to search for SGS is broadened and a proposal to search for new SGS in high efficiency is concluded.

发展高效、低耗散的自旋电子学器件是未来电子学器件发展的必然趋势。自旋零能隙半导体（SGS）由于具有零能隙、高载流子流动性、全自旋极化及低能耗的特点，成为未来自旋电子学器件关键基础材料的理想选择，是目前材料科学前沿研究的热点材料之一。建立高效寻找SGS材料方法、开发具有高度稳定零能隙的新型SGS材料是这一领域面临的重要问题。针对这一问题，本申请以我们前期发现的两个自旋亚能带中，能隙的起源不同的观点为基础，提出利用同主族元素掺杂微调带隙从而获得自旋零能隙半导体和通过能带翻转获得稳定零能隙的新思路。通过研究材料的能带结构、合成与热处理工艺、磁性、霍尔效应及磁电阻等物理特性，开发出一系列利于实际应用的新型SGS，拓宽寻找SGS体系的范围。

本项目是针对建立高效寻找自旋零能隙半导体（SGS）材料方法、开发具有高度稳定零能隙的新型SGS材料这一问题而提出的。在三年执行期内，项目组通过在Heusler 结构下开发高性能的新型SGS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。项目组主要做了四方面的工作，取得了一系列成果。主要包括：1）通过调控能带翻转的方法，设计并开发出了一种具有受晶格对称性保护零能隙的新型SGS材料：KCrTe合金，由于其零能隙是由一组三重简并的t2g能带翻转获得而非常稳定，另外还面向应用开展了一系列基于KGeTe合金的异质结构方面的研究工作，研究表明KCrTe合金有望解决当前该类材料在实际应用中面临的零能隙不稳定的关键问题；2）在理论和实验上，成功开发出了一种具有特殊电子结构的新型SGS材料：Heusler结构Mn2.25Co0.75Ga0.5Sn0.5合金，基于该合金第一次提出和实现了一种基于磁场诱导载流子浓度变化而产生的非正统霍尔效应（UHE）；3）开发出了Heusler结构的Mn2.25Co0.75Al1-xGex和Ti2.25Co0.75Si0.5X0.5两个系列高性能、高匹配度的新型自旋电子学材料，深入研究了材料的稳定的电子结构和磁性，并成功制备出了Mn2.25Co0.75Al合金；4）开发出了一系列含4d过渡族金属元素的四元高自旋极化材料，包括半金属和自旋零能隙半导体材料，对其电子结构和磁性进行了详细研究。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，共发表SCI论文4篇，中文核心期刊利用你问1篇，申请国家发明专利1项，培养毕业硕士生3名，博士在读1人（硕博连读），在读硕士生2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。