高自旋极化率过渡金属铝化物的结构和磁性质研究

Half-metals are new functional materials characterized as the spin polarization behaviors of the spin-up and spin-down electrons. As the development of spintronics, newly magnetic materials, magnetic semiconductor materials and half-metallic materials have attracted great interests. Half-metal ferromagnets are very important and have promising applications in spin valve, spin injectors, magnetic tunnel junctions and other spintronic devices. We will calculate the structural and magnetic properties of transitional-metal aluminides in MoSi2-type structure to find more half-metallic materials by theoretical predictions. We will study the structural stabilities and physical mechanism of the hybridization gap for the transitional-metal alumindes. We will study the effects of dopings,vacancies and defects on the structural stabilities and physical properties of the transition-metal aluminides,respectively. When considering doping effects, we will consider the doping element effects, doping site effects, and doping concentration effects, respectively. In further, we will study the surface structure stabilities of the transition-metal aluminides with high spin polarization and the surface effects to the electronic and magnetic properties. We will calculate the physical properties and predict the probability of the transitional-metal aluminides as half-metallic materials. We will provide theoretical predictions for the developments of newly half-metallic materials and devices.

半金属材料是以电子的两种自旋行为为特征的新型功能材料。随着自旋电子学的发展，新型磁性材料、磁性半导体材料和半金属铁磁性材料的研究成为热点。半金属铁磁体在自旋阀、自旋注入器和磁隧道结等自旋电子器件中有着潜在的应用前景。本课题的研究目标是通过对具有MoSi2结构的过渡金属铝化物的结构及磁性质的计算，理论预言新型的具有半金属性质的材料。我们将深入研究过渡金属铝化物的结构稳定性及其杂化带隙形成机理；研究掺杂、空位或缺陷的对体系结构稳定性和物理性质的影响，在考虑掺杂对体系性质影响时，分别考虑掺杂元素、掺杂浓度和掺杂位置的影响；进一步研究具有高自旋极化率的过渡金属铝化物的表面结构稳定性和表面对其电子结构和磁性质的影响。本课题通过计算过渡金属铝化物的物理性质来预测过渡金属铝化物作为磁性半金属材料的可能性，为发展新型的半金属合金材料和电子器件提供理论预言。

随着自旋电子学领域的发展，新的磁性材料，磁性半导体材料和半金属铁磁性材料的发展成为热点。寻找和获得新型的具有高自旋极化率的半金属材料是实验和理论学家所关心的问题。由于具有MoSi2结构的过渡金属铝化物的带隙形成机理是由于形成了共价键特征的杂化轨道，原子间轨道杂化导致成键反键轨道分裂，类似于半导体CoTiSb和GaAs的特征。我们研究了在过渡金属铝化物半导体OsAl2材料中替代掺杂Mn或Cr，以及Mn和Cr共掺杂来获得具有高自旋极化率的三组元和四组元合金化合物。掺Mn研究表明：掺Mn可以获得丰富磁性质的化合物材料。当掺Mn的浓度x≦0.055时，Mn在化合物中无磁性，化合物为无磁性的金属；当掺Mn的浓度0.055<x<0.25时，化合物显示磁性，但不是高自旋极化率的材料。掺杂后的材料的电子结构和磁性质受Mn的位置以及掺杂浓度的影响。当Mn的掺杂浓度为0.25≦x≦0.625，掺杂后的化合物为高自旋极化率材料；当Mn的掺杂浓度大于0.625时，掺杂化合物中层间Mn原子为反铁磁耦合。掺杂化合物在掺杂浓度为0.75附近发生了磁性相变。Mn和Cr共掺杂研究表明：当Mn和Cr的掺杂浓度为0.0≦x+y≦0.5时，掺杂后的四组元化合物Os1-x-yMnxCryAl2为高自旋极化率的材料，Mn和Cr的掺杂位置对磁性的影响不大。掺杂后获得的具有高自旋极化率化合物材料的总磁矩和晶胞的总价电子数满足slater-pauling线性关系Mt=Nt-28（或Mt=28-Nt）。同时我们讨论了空位、缺陷以及主族元素掺杂对体系电子结构和磁性带来的影响以及计算了材料的稳定性，这将对实验上具体材料的合成有重要指导意义。