Co基Heusler合金半金属磁性隧道结界面特性及电子极化输运性质研究

本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对Co基Heusler合金的半金属磁性隧道结的界面结构进行详细的研究，结合应用热力学理论讨论界面相图，给出热力学稳定的界面结构。应用非平衡格林函数方法研究半金属磁性隧道结电子极化输运性质，阐明界面结构、界面的磁性和电子结构对以Co基Heusler合金为电极的半金属磁性隧道结电子极化输运性质的影响，给出消除界面态的有效方法，以获得高隧穿磁电阻（TMR）值的半金属磁性隧道结。通过替换或部分取代Co基Heusler合金中的主族元素，调节电极材料的费米面位置，得到较大带隙的半金属电极，理论上提出改善电极半金属性的方法,为实验制备高性能的半金属磁性隧道结提供指导和理论依据。进一步探讨半金属Co基Heusler合金磁性隧道结中的自旋转移力矩效应，给出临界转换电流密度与电子结构的关系，为半金属磁性隧道结的潜在应用给出理论预测。

磁性隧道结由于其电阻依赖于两个电极的极化方向因而在高密度的硬盘读出头、磁场传感器以及磁性随机存储器等方面存在广泛的应用。作为下一代自旋电子器件的基本组成单元，磁性隧道结一直以来备受关注。本项目主要研究Co基Heusler合金半金属磁性隧道结界面结构的稳定性、界面的磁性和电子特性，研究半金属Co基Heusler合金的带隙大小、费米面的位置对其电子遂穿行为的影响，阐明界面结构、界面态对Co基Heusler合金半金属磁性隧道结电子极化输运性质的影响，提出消除界面态、改进半金属电极性能的有效方法，为磁性隧道结的设计提供好的理论建议。.项目主要研究内容包括：1.应用热力学理论讨论Co基Heusler合金半金属磁性隧道结界面相图，给出热力学稳定的界面结构；研究半金属磁性隧道结电子极化输运性质，阐明界面结构、界面的磁性和电子结构对以Co基Heusler合金为电极的半金属磁性隧道结电子极化输运性质的影响；通过金属原子插层，给出消除Co基Heusler合金半金属磁性隧道结的界面态的有效方法，以获得高隧穿磁电阻（TMR）值的半金属磁性隧道结；通过主族元素替换或掺杂，调节电极材料的费米面位置，得到较大带隙的半金属电极，理论上提出改善电极半金属性的方法。2.运用第一性原理的方法,研究Heusler合金形的晶体结构、磁结构、电子结构在马氏体相变中的变化，系统研究了高锰含量Ni-Mn-Sn合金的零场冷交换偏置效应, 实验上发现交换偏置场随着冷却磁场的增加而逐渐降低和零场冷交换偏置场随温度的变化呈现非单调行为。3.理论上系统研究了BaTiO3/Si异质结的界面结构、界面稳定性和界面电极化性质，给出硅基异质结界面稳定性相图和满足热力学稳定性的界面构型，为硅基功能氧化物器件设计提供了有益的理论参考。4.实验上合成了新型铁磷族化合物CuxFe1+yAs的单晶样品，发现CuxFe1+yAs具有强关联巡游铁磁性，电磁输运性质表现为准二维特性，通过Co掺杂，提升了化合物CuxFe1+yAs的铁磁性。