哈斯勒自旋零带隙半导体材料的磁性、输运特性的电场调控研究

Electric-field manipulation of the magnetic and transport properties of Heusler spin gapless semiconductor will make good use of the material’s specific band structure (gapless for majority spin band) and low energy consumption merits of the electric tuning mode, which will exhibit an important scientific interest for developing spintronic devices with the high speed, high sensitivity and low energy consumption. In this project, the Heusler alloys Mn2CoAl and CoFeMnSi will be investigated, which possess the merits of the high Curie temperature, high spin polarization and high carrier mobility. The Heulser alloy thin films will be grown on the ferroelectric single crystal substrates; and the stress/strain will be transfered to the film through the inverse piezoelectric effect of substrates under the electric field. The interface of Heusler alloy with ferroelectric substrates will be modified by inserting the less lattice mismatch buffer layer to adjust the interfacial charge density and orbital hybridization under the electric field or the remnant polarization of the substrate. The evolution of magnetic, transport properties will be studied by varying the electric field or the remnant polarization of ferroelectric substrate. The electric tuning mechanism will be explained through analyzing the magneto-elastic effect and band structural adjustment of the Mn2CoAl and CoFeMnSi Heusler alloys. The achievements of this project will lay a solid foundation for realizing the reversible and non-volatile tuning of magnetic, transport properties for Heusler spin gapless semiconductors.

电场调控哈斯勒自旋零带隙半导体材料的磁性、输运特能，既能发挥材料自旋向上子带无能隙的能带结构优势，也能发挥电场调控的低能耗优势，对开发高速、高灵敏、低功耗自旋电子器件具有重要的科学意义。本项目以高居里温度、高自旋极化率、高载流子迁移速率的哈斯勒自旋零带隙半导体Mn2CoAl、CoFeMnSi为研究对象，在铁电单晶衬底上生长哈斯勒自旋零带隙半导体薄膜，利用电场下铁电单晶衬底的逆压电效应，实现应力/应变作用于薄膜。插入晶格失配度小的缓冲层优化铁电衬底/薄膜的界面结构及物理耦合，通过电场及铁电极化改变薄膜界面电荷及其界面轨道杂化。研究电场大小、方向以及铁电衬底的不同剩余极化强度下，薄膜的磁性、输运特性的演变行为。结合Mn2CoAl、CoFeMnSi材料的磁-弹效应及能带结构分析，揭示电场调控其磁性、输运特能的物理机理，为实现哈斯勒自旋零带隙半导体磁性、输运特性的可逆及非易失调控奠定基础。

本项目以自旋零带隙Heusler合金Mn2CoAl，CoFeMnSi为主要研究对象，制备了多晶、单晶、薄膜、异质结等样品，研究了合金块体及薄膜的本征磁输运性能，探究了电场、应力对薄膜物理性能的调控，揭示了蕴含的新效应及新机理。. 通过真空非自耗熔炼炉制备的多晶Mn2CoAl获得了B2有序结构。多晶CoFeMnSi块体具有高度有序的Y型结构，50-300 K温度范围内呈类半导体输运特性。采用光学浮区法成功生长了[100]取向单晶CoFeMnSi，其输运性质具有各向异性特征。在单晶MgO(001)基片上成功制备B2和L21有序结构的CoFeMnSi外延薄膜。有序薄膜的电阻在低温下出现异常转变，其主要来自“电子-diffusons”散射、量子修正的增强电子-电子库仑相互作用（EEI）和较小的弱局域化（WL）效应三者的共同作用，在垂直膜面方向的热梯度作用下，薄膜可以产生较大、稳定的反常能斯特效应。. 构建PMN-PT/CoFeMnSi铁电铁磁复合异质结结构，研究了外加电场对CoFeMnSi的磁、电输运特性的影响。研究发现，不同有序度薄膜的磁性对外加电场的响应不同：低有序薄膜的面内磁各向异性增强，高有序薄膜的易磁化轴偏离面内方向，转向垂直膜面方向。高有序薄膜在8.4 kV/cm电场下可实现易磁化轴的90°旋转，薄膜表现为垂直磁各向异性。电场调控输运性能结果表明：外加电场可以抑制“电子-diffusons”散射和EEI作用，从而导致低温下高有序薄膜的电输运行为发生变化。制备了具有L21有序结构的柔性F-mica/CoFeMnSi多晶薄膜，薄膜在80-300 K温度范围内呈类半导体输运特性，观察到拉伸应变显著改变薄膜能带结构和矫顽力Hc，其Hc增量高达440% (ROC=1.9 mm)。通过在金属铝箔表面涂覆二维层状Ti3C2材料缓冲层制备磁性薄膜结构AF/Ti3C2/CoFeMnSi，显著降低了薄膜磁性对应力/应变的敏感度，且多次弯曲后残余应力也显著降低。使用磁控溅射法在Si衬底上制备了具有优异垂直磁各向异性Ta/Pd/CoFeMnSi(2.3 nm)/MgO(1.3 nm)/Pd多层膜，Keff值达到0.557×106 erg/cm3，并显示出对氢气的灵敏性。上述研究结果对制备Heusler材料基柔性、低能耗磁电存储及氢气探测器件具有很好的理论指导意义。.