III-V族半导体半金属异质结外延结构的自旋注入研究

Half-metals such as the Heusler alloy have the following superiorities: near 100% spin polarization at Fermi level, Cuire temperature over the room temperature and easy to integrate in modern industry of semiconductors, thus are believed to have greate potential for the research of new spintronic devices. However, data from published reports shows much lower polarizations than expected (the highest about 60%, Co2FeSi, 2K). The reason was generally attributed to the defects, interactions and difussions which happen near the interface. Besides, the interfacial atomic obrit intermixing will not only cause the charge transfer between the two sides of semiconductor and the half-meal, but also result in different spin polariztion of the Density of States (DOS) near interface with those in both bulk. Our calcualtion show that there exists an interface structure of several atomic layers, and it is such structure that may play an important role in the spin polarization. We are planning to use the method of polarized electroluminescence to detect the injected electronic spin polarization and use the photo-excited capacitance-sensitive resonant tunneling spectroscopy to obtain the band structure of half-metal. Besides, first principle based calculation will also be used to analyse the interfacial electronic structures and the E-k relationship. By systemic variation of the components and the structures, we could investigate the influence of the interface for the spin dependent transportation in half-metal/semicondutor structures, which would be important for further steps in the application of half-metal/semicondutors on new spintronic devices.

以Heusler合金为代表的半金属材料具有费米面附近自旋极化率高（近100%）、居里温度高于室温、易于同半导体产业集成等优点，被认为在研制新型自旋电子器件方面具有重大价值。然而报道的实验中自旋注入极化率并没有理论预期高（最高约60%,Co2FeSi，2K），一般归因为界面缺陷、扩散和成键等结构因素。此外，界面原子间的轨道混合不仅会造成界面两侧的电荷转移，也会导致界面附近态密度产生不同于两侧体材料的自旋极化。我们初步计算表明半导体方向上存在着厚约若干原子层的界面，该结构对注入电子的自旋极化率可能有决定性的影响。我们拟采用光激发隧穿电容谱探测半金属能带结构，应用极化电荧光谱探测异质结中自旋注入极化率，同时使用第一性原理方法对于界面电子结构色散关系进行计算，通过改进样品组分和结构等方式，探索界面对于半金属/半导体结构自旋输运过程的影响，为半金属/半导体在新型半导体自旋电子器件方面的应用打下基础。

以Heusler合金为代表的半金属材料具有费米面附近自旋极化率高（近100%）、居里温度高于室温、易于同半导体产业集成等优点，被认为在研制新型自旋电子器件方面具有重大价值。然而报道的实验中自旋注入极化率并没有理论预期高（最高约60%,Co2FeSi，2K），一般归因为界面缺陷、扩散和成键等结构因素。但是关于影响注入极化率的主要机制和界面上原子间的轨道混合尚缺少微观上的研究。以Full Heusler合金Co2MnAl和半导体AlAs的半金属/半导体异质结结构作为我们的模型体系，我们通过理论计算和实验测量对于这一体系中的自旋注入过程进行了研究。.我们首先使用基于密度泛函理论的VASP软件包对于Co2MnAl/AlAs界面结构和电子态性质进行了计算，结果表明了界面附近轨道混合和费米面附近电子态自旋极化的改变。一个重要的发现就是在半导体半金属界面上半导体侧存在着约1nm厚的自旋极化结构。这一结构对于最终的注入自旋极化可能有决定性影响。.我们提出了一个唯象的模型来尝试计算载流子极化度经过界面层后的变化。我们的推导得到一个值得注意的结论：局域自旋极化度的影响主要由变化梯度影响，而不是具体数值的影响，这使得有可能通过调制材料结构，引入具有较大相干长度的材料，提高自旋注入的效率。..我们设计了基于SPIN-LED结构的器件，计划通过光荧光和电荧光来测量电子自旋注入极化度。 实验结果发现自旋极化电子经过电注入后，经过近300nm的弛豫，最终同基底中碳中性受主复合发光。结果表明我们在77K下得到了高达24.6%的注入电子自旋极化度。相比于计算得到的Co2MnAl体相自旋极化度34.4%，和Co2MnAl/AlAs界面层极化度36.2%，应该说达到了很高的注入效率。.分析原因，一方面我们的器件采用了MBE的生长方法，因此具有较高质量的晶格匹配的外延界面，另一方面，正如计算中揭示的Co原子同As原子的相互作用使得界面层费米面附近的电子态平均极化度高于体相，对于整体注入自旋极化度提高有重要贡献。.总之，我们通过理论和实验，对于Co2MnAl/AlAs半导体半金属异质结外延结构的自旋注入进行了研究，提出了定性的理论模型，得到了一些具有普遍意义的结果。在实验方面，要继续改进实验手段，拓展实验材料范围，在今后的工作中，发现更合适的界面材料，设计更合理的界面结构，进一步提升电子的注入自旋极化率。