新型半金属性Heusler合金及其半金属性的稳定性研究

Half-metallic Heusler alloys are considered as important materials to produce thin-film and electrode of spintronics devices because of their relatively high Curie temperatures and structural similarity to zinc-blende structure which is adopted in important binary semiconductors that are widely used in the industry. However, the limited number of known half-metallic Heusler alloys restricts the fabrication and design of spintronics devices in some exetent, therefore exploring and finding more new half-metallic materials Heusler alloys is the key to solve this problem. In this project, the Heusler alloys are designed and their electronic structures are calculated using the full-potential linearized plane wave method based on the density functional theory. The half-metallic Heusler alloys may be found by analyzing the calculated majority- and minority-spin density of states and band structures. After the new half-metallic Heusler alloy found, electronic structure of the half-metallic alloy will be calculated under the lattice constant changed in small steps.The band gap which is near the Fermi level in the non-metallic spin band can be obtained and plotted in graph. The graph can show that the Fermi level moves around the band gap and reveal the range of the lattice constant in which the half-metallicity remained. This finding can be provided as scientific reference to the application of the half-metallic alloy in thin films for spintronics device production.

半金属性Heusler合金具有相对较高的居里温度和与工业上广泛使用的二元半导体材料有相似的晶格结构，它们被认为是制作自旋电子学器件薄膜和电极的重要材料。然而，目前已知的半金属性Heusler合金的种类有限，这在一定程度上制约自旋电子学器件设计和制作，探索发现新的半金属性Heusler合金是解决这一问题的关键。本项目通过设计Heusler合金分子，采用基于密度泛函理论为基础的全势能线性平面波方法，自旋极化计算合金晶体的电子结构，研究它们两个自旋方向上的电子态密度和能带结构，从中筛选发现新的半金属性Heusler合金。之后，建立晶格各向同性形变模型，研究晶格形变下该半金属合金的费米能在其非金属性子能带带禁附近的位置随晶格常数改变的变化，通过图示法揭示其半金属性质的变化，得到该合金的半金属性保持稳定的晶格常数变化范围，这一结论能为该半金属合金应用于自旋电子学器件的薄膜制作提供科学的参考依据。

半金属是研制自旋电子学器件，如自旋二极管、自旋场效应管和自旋过滤器的关键性材料。与其它半金属材料相比，半金属性Heusler合金的优势在于其结构与传统半导体材料的结构相近从而具有较好的结构相容性。本项目运用第一性原理计算，探索和研究新型半金属性semi-Heusler合金。电子结构的计算结果发现semi-Heusler合金CoCrTe、CoCrSb、VKBi、CrNaBi、CrKBi、CrLiBi、VNaBi和VLiBi具有半金属性，是半金属性铁磁体。进一步的计算结果表明，当CoCrTe和CoCrSb的晶格常数相对于平衡晶格变化分别为-11.4%—7.2%和-11.2%—2.7%时，仍保持半金属性质，它们具有较好的半金属性质的稳定性。电子结构计算分析表明，半金属性semi-Heusler合金VKBi和CrNaBi具有大的半金属隙（half-metallic gap），分别为0.80eV和0.75eV，因而具有较好的半金属特性。上述半金属性semi-Heusler合金的发现，扩大了半金属性Heusler合金的家族成员，为自旋电子学器件的制作提供更多的材料选择。对三层结构膜Tb/Cr/Ni80Fe20的磁化动力学性质的研究中发现：当Cr膜厚度小于1nm时，三层结构膜的有效阻尼系数αeff随Cr层厚度增加而减小；当Cr膜厚度大于1nm时，其有效阻尼系数αeff随Cr层厚度增加呈振荡变化的趋势。经分析研究这一现象与结构膜层间的自旋-轨道相互作用密切相关。超薄三层结构膜Gd/Cr/Fe的样品微波测量结果呈现出反常的大铁磁共振线宽。为了得到吉尔伯特阻尼系数，在考虑了磁化进动有效方向与薄膜平面偏离角的情况下，对共振频率和共振线宽进行理论拟合计算（含非均匀谱线增宽、双磁振子散射模型贡献和本征线宽），结果发现理论拟合的结果与实验测量数据吻合较好，因此该拟合方法是取得吉尔伯特阻尼系数的一种可行途径。染料敏化太阳能电池光阳极结构优化是提高其光电转换效率的重要手段，TiO2光阳极微掺杂Ca的实验结果显示，当Ca的掺杂浓度为 50 ppm时光阳极的光电转换效率最高（7.45%）. 该研究结果对染料敏化太阳能电池光阳极的选择与开发应用有一定的参考价值。