新型d0半金属铁磁体的表/界面效应和自旋极化输运特性

费米面附近电子的完全(100%)自旋极化特性使半金属铁磁体在自旋电子器件中有着非常重要的应用，尤其用作半导体的自旋极化电子注入源。但是，表/界面效应产生的表/界面态可能会破坏材料的半金属性，进而影响其自旋输运性质。基于这些考虑，本项目拟采用密度泛函理论及其与非平衡态格林函数相结合的方法，对最近倍受关注的新型d0半金属铁磁体开展以下研究：d0半金属铁磁体的表面稳定性、电子结构和磁性；非常完美的d0半金属/半导体异质结构的界面结构和电子态及自旋极化输运特性,如自旋流二极管效应、自旋过滤效应和隧道磁阻效应等。并分析这些效应的成因和影响因素。这些问题的研究可以为具有d0半金属铁磁性薄膜的制备以及d0半金属在自旋电子器件中的应用提供材料基础和科学依据，具有重要的学术意义和潜在的应用价值。

费米面附近电子的完全(100%)自旋极化使半金属磁体在自旋电子学中有着重要的应用。本项目主要利用密度泛函理论及其与非平衡态格林函数相结合的方法，研究了几类半金属磁体的表/界面效应和输运性质，同时预言了几个新的半金属磁体，圆满完成了项目任务，得到以下主要成果：(1) 研究了几个岩盐结构的碱土金属碳化物和氮化物d0半金属磁体的表/界面性质，发现表面效应很难破坏它们的d0半金属性，这与它们的岩盐结构有很大关系，它们的表面也是热稳定的。保持d0半金属性的界面结构至少是亚稳态。这为这些d0半金属磁体薄膜的制备及其在自旋电子学中的应用提供了重要依据。此外我们首次在半霍伊斯勒结构化合物中预言到了d0半金属磁体存在的可能性，并且发现弱的库仑相互作用没有破坏它们的半金属性；(2)我们从理论上解释了近十年来的一个实验困惑，即为什么基于过渡金属氧硫族化合物(TM-Cs)的半金属薄膜在实验上很难以闪锌矿结构外延生长，我们预言到它们的岩盐结构薄膜更容易外延生长，自旋轨道耦合对它们的自旋极化率影响很小。其中，我们对岩盐结构CrTe的理论预言很快被新加坡的实验小组所验证。同时，我们设计出了基于半金属磁体CrTe的具有良好自旋二极管效应的异质结CrTe/ZnTe和磁隧道结CrTe/ZnTe/CrTe (隧道磁阻高达4×109%)；(3) 我们对A3Z型的二元Heusler合金进行了系统的第一性原理研究，发现了几个零能隙的半金属亚铁磁体、半金属反铁磁体和自旋无能隙半导体。它们相对传统的三元霍伊斯勒合金具有更小的结构无序性，这使得它们成为潜在的自旋电子学材料。