自旋電子學材料課件

1、自旋電子學材料的計算模擬與設計,1988: 巨磁阻效應(GMR),2007年諾貝爾物理學獎,自旋電子學,傳統(tǒng)電子學: 電子的電荷自由度自旋電子學:電子的自旋自由度 優(yōu)勢：運算速度更快, 高集成度, 低能耗等,自旋電子學,解決這些關鍵科學問題依賴于新型自旋材料設計！,自旋電子學中三個基本科學問題:怎樣產(chǎn)生和注入自旋極化？怎樣在器件中實現(xiàn)自旋輸運？怎樣有效的實現(xiàn)自旋操縱？,我們的工作,自旋產(chǎn)生與注入：設計了實

2、驗上易于制備的室溫半金屬以及不含金屬原子的半金屬材料自旋輸運：提出非對稱反鐵磁半導體的新概念，并在此基礎上設計了室溫磁性半導體材料自旋操控：通過提出雙極磁性半導體的新概念，設計了一系列BMS材料，可以實現(xiàn)電場對自旋極化的控制,自旋產(chǎn)生：半金屬,Half Metal,半金屬一個自旋通道為金屬，另一個自旋通道為絕緣體，是一種理想的產(chǎn)生自旋極化的材料。,金屬通道,絕緣體通道,EF,半金屬能隙,我們先前設計的工作(I),JACS (20

3、06) 128, 2310,鐵磁耦合的過渡金屬苯環(huán)夾心化合物鏈,JACS (2008) 130, 4224,不對稱邊界修飾的鋸齒型石墨烯納米條帶,我們先前設計的工作(II),JACS (2012) 134, 5718,基于B或N摻雜的三角形石墨烯片分子得到的孔狀材料是穩(wěn)定的半金屬，對外加應力不敏感。,我們先前設計的工(III),理想半金屬的三個基本條件,JACS (2014) 136, 5664,高于室溫的鐵磁居里溫度足夠寬的半金屬能

4、隙 (~ 0.5 eV)，以有效阻止室溫下的自旋熱翻轉躍遷大的磁各向異性能，確保在室溫下材料磁化的穩(wěn)定性,室溫半金屬材料,,摻雜的La(Mn0.5Zn0.5)AsO 合金材料,基于LaMnAsO和LaZnAsO構建合金材料材料具有“1111”型LaFeAsO超導的結構基態(tài)是反鐵磁半導體電子摻雜、空穴摻雜形成半金屬材料居里溫度 475 ~ 600 K半金屬能隙 0.74 eV磁各向異性能比傳統(tǒng)Fe, Co, Ni高一個數(shù)量級

5、,(Ca2+/Sr2+,La3+)摻雜,(H?/F?,O2?) 摻雜,JACS (2014) 136, 5664,,Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature? Such devices have been demonstrated at low temperatures but not yet in a range wa

6、rm enough for spintronics applications.,,自旋輸運：室溫磁性半導體？,磁性半導體材料研究得比較多的是稀磁半導體，但是在如何將其磁轉變溫度提高到室溫方面目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)。,室溫磁性半導體的必備條件,磁有序溫度高于或可比于室溫價帶和導帶具有高的自旋極化,研究現(xiàn)狀及困境,鐵磁半導體: EuS, CdCr2Se4, La2NiMnO6 …凈磁化高自旋極化居里溫度通常遠低于室溫反鐵磁半導體:

7、LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …無凈磁化無自旋極化奈爾溫度通常比室溫高,稀磁半導體:一種可能的方案,Zener model predictionScience 287, 1019-1022 (2000).,Zn1-xCoxO 室溫鐵磁行為Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001).,Related reviews:Nature Mater. 9, 965-974 (2010);Che

8、m. Soc. Rev. 39, 528-539 (2010);Rev. Mod. Phys. 86, 187-251 (2014).,,室溫稀磁半導體的不足之處,室溫磁性來源于納米尺度的相分離, 即二次相室溫磁性對生長條件和后續(xù)處理依賴性大體系在微觀上很復雜、可控性差、可重復性低,(Zn,Co)O 二次相分離Phys. Rev. B 88, 085204 (2013),是否存在其它簡單的解決方法?,是否有可能將鐵磁半導體的

9、高自旋極化特點和反鐵磁半導體的高奈爾溫度特點結合到一個半導體材料？非對稱反鐵磁半導體的提出:對鐵磁半導體來說，每個單胞的自旋磁矩必須為整數(shù)個玻爾磁子，經(jīng)過精心設計，這個整數(shù)可以為零（即反鐵磁耦合）。同時，在價帶導帶保持鐵磁半導體的高自旋極化特點。,非對稱反鐵磁半導體,基本設計思路,磁矩被設計成來源于兩種不同的磁性離子（或處于不同晶體場環(huán)境、或處于不同化合價態(tài)的同一元素離子），各磁矩之間通過反鐵磁形式耦合在一起。由于磁性離子間強的

10、反鐵磁超交換作用，體系的奈爾溫度 (TN) 很容易超過室溫。由于不同磁性離子間的磁軌道能級失配，體系的價帶和導帶將是高度自旋極化的。,Phys. Rev. B (2015) 92,125202,,非對稱反鐵磁半導體,HSC,BMS,非對稱磁性離子間的反鐵磁耦合提供了一種獲得室溫磁性的普適方案,,雙鈣鈦礦結構,通過選擇雙鈣鈦礦結構中的金屬離子來調(diào)控室溫磁性,Tc > 300 K,Phys. Rev. B (2015) 92,12

11、5202,自旋調(diào)控：雙極磁性半導體,自旋操控：電控制磁？,磁控制,VS,電控制,易于實現(xiàn)難于小型化與集成電路兼容性差,難于實現(xiàn)易于小型化與集成電路兼容性好,通過電場來控制自旋極化是下一代自旋電子學追求的一個重要目標,現(xiàn)有方法 (1),電場調(diào)制朗德g因子,Y. Kato, et al. Science 299, 1201 (2003).,現(xiàn)有方法 (2),基于自旋軌道耦合的調(diào)控,K. C. Nowack, et al. Scien

12、ce 318, 1430 (2007).,現(xiàn)有方法 (3),多鐵體系的磁電耦合調(diào)控,S. W. Yang, et al. Adv. Mater. 26, 7091 (2014).,雙極磁性半導體 (BMS),,直接通過門電壓調(diào)控自旋極化方向,VG < 0,VG > 0,Nanoscale (2012) 4, 5680. PCCP (2013) 15, 15793.,基于BMS的自旋操控 (1)

13、,自旋極化開關,自旋極化振蕩器,BMS這一新型材料為自旋電子學中第三個科學問題提供了理想的解決方案！,基于BMS的自旋操控 (2),VG1, VG2 > 0 or VG1, VG2 0 and VG2 0 Off,場效應自旋閥,半氫化碳納米管(1D),對B、N摻雜不敏感,典型的BMS電子結構！,磁性的來源,pz 軌道形成離域的π 鍵,沒有氫化的碳原子上未成對的 pz 電子形成局域磁矩,模型器件與自旋輸運,

14、門壓可控的自旋輸運,Nanoscale (2012) 4, 5680,,半氫化SiC雙層(2D),典型 BMS！,PCCP (2013) 15, 497,表層N摻雜(SiC)n納米薄層,,n=8,n=8,APL (2014) 104, 172403,N,Si,C,MnPSe3納米片(1),d0= 3.22 Å (exp. 3.27 Å)dSe-Se= 3.9 Å,剝離能 Ecl =0.24 J/m2 (G

15、raphite: 0.36 J/m2)剝離強度:1.2 GPa,剝離體相 MnPSe3的可行性,,MnPSe3納米片(2),中性,空穴摻雜,電子摻雜,電子或空穴摻雜的MnPSe3納米片是自旋相反的兩種鐵磁半金屬,JACS (2014) 136, 5664,FeVTiSi Heusler 合金(3D),Tc ~ 1200 K,Δ1= 1.26 eV Δ2= 0.36 eV Δ3= 0.27 eV,空穴摻雜,電子摻雜,JMCC (20

16、15) 3, 2563,FeVZrSi合金: Zr替代Ti,Δ1= 1.25 eV, Δ2= 0.58 eV, Δ3= 0.84 eV,Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 497Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 15793J. Mater. Chem. C (2013) 1, 7197J. Am. Chem. Soc. (2014) 136, 5664Appl

17、. Phys. Lett. (2014) 104, 172403J. Mater. Chem. C (2015) 3, 2563,BMS材料設計,本課題組：,其他課題組：,Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 143115Carbon (2014) 69, 142Phys. Chem. Chem. Phys. (2015) 17, 17957J. Phys. Chem. C (2015) 119, 1061