半金属纳米材料的自旋极化输运性能研究

Half-metallic material generally has a high Curie temperture and perfect spin polarization of nearly 100% from theoretical prediction and are considered as an ideal,potenial spin injector. So the investigation on half-metallic materials must enhanced the development of spintronics.Many research results have revealed that the scale, dimension, and particle border have a strong influence on the spin-polarization transport properties, which is also the effective way to improve the spin polarizability and the low-field magnetoresistance effect. In this project, the monodisperse hal-metallic nanomaterials with a controlled size and shape are synthesized by a high-temperature organic solution method. The influence of size,shape,particle border,temperature,pressure, and magnetic field on their spin-polarization transport properites are to be investigated to reveal the transport law of half-metallic namomaterials.Combined with the transport properties of the single nanowire and nanoparticles (>30nm) by the NanoProbe-STM-SEM measure system, the spin-polarization mechanics of half-mettallic nanomaterials are to be revealed by employing radom fuse network model and non-equilibrium Green's functiontechniques. Furthermore, the possible way to improve the magnetoresistance effect at room temperature and lower magneitc field will be highlighted by the theorical design of structure patterns of transport channels.

半金属材料一般具有较高的居里温度和近100%的高自旋极化率，将会成为理想的自旋电子注入源。因此，半金属材料的深入研究必将推动自旋电子学的快速发展。众多研究已经表明半金属材料的尺度、维度的减小以及颗粒边界对其自旋极化输运性能有很大的影响，也是提高半金属材料自旋极化率和低场磁电阻的有效途径。本研究利用高温有机液相法制备出尺寸和形状可控的单分散半金属纳米材料，利用高压原位输运测试系统深入研究尺寸、形状、颗粒边界、压力、温度和磁场对其自旋极化输运性能的影响，揭示半金属纳米颗粒的自旋极化输运规律，应用无规熔丝网络模型和非平衡格林函数的第一性原理方法模拟计算半金属纳米材料的自旋极化输运性能，结合NanoProbe-STM-SEM联合系统对单个纳米线和纳米颗粒(>30nm)的输运性能测试，揭示半金属纳米材料的自旋极化输运机制，进而在理论上通过设计输运通道微结构构型研究增强室温及低场磁电阻的可能途径。

半金属材料一般具有较高的居里温度和近100%的高自旋极化率，将会成为理想的自旋电子注入源。因此，探索提高半金属材料自旋极化率和低场磁电阻的有效途径必将推动自旋电子学的快速发展。本项目系统研究了不同半金属材料的尺度、维度的减小以及颗粒边界对其自旋极化输运性能的影响。本项目取得了多项重要成果。首先利用高温有机液相法制备出尺寸、形貌和组分可控的单分散半金属纳米材料，实现了大规模制备尺寸均一的半金属Fe3O4纳米颗粒、纳米碟和纳米棒，其中半金属Fe3O4纳米颗粒的单次制备量可达到克量级，并发现表面活性剂对纳米颗粒粒径的非线性调控规律。在此基础上，利用种子生长法先后制备出Fe-Fe3O4、Au-Fe3O4、FeO-Fe3O4核壳纳米颗粒，可以分别研究高饱和磁化强度铁磁金属、高导电率贵金属、反铁磁绝缘氧化物对半金属Fe3O4薄壳层的输运性质的影响。利用电子全息技术首次测定出单根Fe3O4纳米棒的磁矩大小。对半金属Fe3O4纳米颗粒在20MPa到5GPa压力下的自旋输运性质进行了研究，结果表明在低压下（20MPa），颗粒间距较大，随温度变化的电导率曲线呈现log ρ/T-1/2的关系, 符合Efros变程跃迁的传输机制，而在1GPa以上的高压下，颗粒间距很小，可以看作是点接触体系，随温度变化的电导率曲线呈现logρ/T-1/4的关系, 符合Mott变程跃迁的传输机制，不同的自旋传输机制来自于颗粒间随颗粒间距而变化的电荷能和交换能。Monte Carlo 模拟进一步揭示电荷能在松散颗粒体系的传输性过程中起主导作用，而自旋依赖的交换能在紧密接触的纳米颗粒体系的传输过程中起主导作用。在0.5GPa到19.3GPa的压力范围内系统研究了Fe-Fe3O4异质结构纳米颗粒的ρ-T曲线、原位高压X射线衍射、原位高压Raman光谱，结果表明在5K-300K的范围内，Fe-Fe3O4异质结构纳米颗粒都呈半导体导电行为，而在6.2GPa处，其ρ-T曲线发生了突变，这一突变可能是壳层中声子对电子的散射造成的。