基于高自旋极化Heusler合金的自旋输运特性研究

作     者：韩江朝 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：博士

导师姓名：高国营

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：自旋电子学 自旋卡诺电子学 自旋无能隙半导体 全补偿亚铁磁半金属 隧道结 自旋过滤 隧道磁电阻 自旋塞贝克效应 密度泛函理论 非平衡格林函数方法 

摘      要：硅基电路板上容纳的晶体管数量每隔18个月增加一倍,微处理器性能也将提升一倍,这便是大家熟知的摩尔定律。然而随着晶体管电路接近性能极限,高温和漏电始终是难以避免的问题,半导体发展路线图开始放缓。为了不让摩尔定律失效,科学家引入电子自旋去发展了一门新的学科,自旋电子学。传统的半导体器件包括晶体二极管、双极型晶体管、场效应晶体管等。这些器件与自旋电子学器件相比,集成化较低、能耗偏高、运算速度过慢,很难继续推动新的信息化产业革命。自旋电子学器件对组成材料的要求很高,这些材料通常具有较高的自旋电子极化率、与半导体较好的兼容性以及较长的驰豫时间。一些新的高自旋极化材料,比如自旋无能隙半导体和全补偿亚铁磁半金属等,已经成为近几年研究的热点。本文针对近几年实验上合成的三类典型的自旋电子学材料:铁磁性的自旋无能隙半导体CoFeMnSi,全补偿亚铁磁半金属Mn3Al和全补偿亚铁磁自旋无能隙半导体Ti2MnAl,利用密度泛函理论结合非平衡态格林函数方法,对它们的电子结构、磁性和自旋输运性质进行了研究,得到以下主要结果:自旋无能隙半导体CoFeMnSi具有铁磁性,磁矩主要由Co、Fe、Mn三个原子贡献,特别是Mn原子3d轨道的较大劈裂导致了其相对较大的磁矩;CoFeMnSi与半导体GaAs做电极的异质结GaAs/CoFeMnSi（001）表现出了自旋过滤特性以及自旋二极管效应;CoFeMnSi做电极的隧道结CoFeMnSi/GaAs/CoFeMnSi（001）拥有较大的隧穿磁电阻。这些优良特性预示着自旋无能隙半导体CoFeMnSi应用在器件开发的可行性。全补偿亚铁磁半金属Mn3Al总磁矩为零,费米面附近的态密度主要由Mn原子的3d轨道贡献;异质结Mn3Al/GaAs（001）的整流率达到了1.1×10～6,表现出了很好的二极管特性;隧道结Mn3Al/GaAs/Mn3Al（001）由于其特殊的输运谱,不仅在反平行磁化情形下表现出了双自旋过滤特性,在平行磁化情形下表现出了单向导电性和自旋过滤特性;半金属特殊的能带结构使Mn3Al的输运机理与传统的铁磁金属有很大的不同,从而使隧道结器件产生了很大的隧穿磁电阻,表明全补偿亚铁磁半金属Mn3Al是很有前景的自旋电子学材料。对于全补偿亚铁磁自旋无能隙半导体Ti2MnAl,自旋向上方向的能带表现出与石墨烯类似的零能隙特点,禁带宽度为零,而自旋向下方向的能带则具有半导体特性;Ti2MnAl做电极的隧道结Ti2MnAl/InAs/Ti2MnAl（001）在不同磁化情形下的总电流变化趋势产生了较大的磁电阻;由于其特殊的输运谱以及不同温差下费米狄拉克分布的不同,该隧道结表现出良好的自旋塞贝克效应,以及温差导致的高自旋极化率。这些现象使Ti2MnAl在自旋电子学和卡诺电子学当中有重要的应用价值。