论文部分内容阅读
电子拥有自旋和电荷双重属性,传统半导体微电子学主要关注电子的电荷属性,忽略了电子的自旋属性。自旋电子学是电子学的第二次革命,已经成为一个重要的新兴领域,有望克服传统微电子学的局限。近年来,研究人员对自旋电子学材料的研究兴趣日益增加,特别是半金属(HM)铁磁体。其中,一个自旋轨道表现金属性质,而另一个自旋轨道表现半导体性质,预期具有100%的自旋极化率。自从研究人员在Heusler合金中发现了半金属性和磁热技术效应,这类化合物在自旋电子学中的应用就受到了人们的广泛关注。Heusler合金蕴藏着极其丰富的物理性质,并在磁热、磁电、磁机等领域展现出巨大的潜在应用价值,已经成为研究新型材料的资源宝库。本论文主要目的在于探索和研究具有新型Heusler结构的功能材料。主要结果如下:(1)通过用Fe原子连续替换CoFeTiAl基体中的Ti,Al或Ti-Al原子的方法,设计出了一种具有100%自旋极化率的Fe基半金属单原子链。利用第一性原理计算,我们研究了这些化合物的电子结构和磁学性质。所有的材料都表现半金属性质,并且在CoFeTiAl基体中形成了导电纳米柱。纳米柱的宽度是晶格常数的一半,其长度可以调节。这将为设计新型直流磁记忆器件提供一个新的思路。(2)通过第一性原理计算,研究了四元Heusler合金KCaCF和KCaCCl的电子结构和磁学性质。发现稳态的原子占位为:C,K,F/Cl和Ca原子分别占据(0,0,0),(0.25,0.25,0.25),(0.5,0.5,0.5)和(0.75,0.75,0.75)位置。亚稳态的占位方式为K,Ca,C和F/Cl原子分别占据(0,0,0),(0.25,0.25,0.25),(0.5,0.5,0.5)和(0.75,0.75,0.75)位置。该类物质在平衡晶格常数下是半金属铁磁体。然而,亚稳态的KCaCCl随晶格常数的变化会转变为自旋无能隙半导体。(3)第一性原理研究四元Heusler化合物KCaCX(X=O,S和Se)的电子结构和磁性。计算得到KCaCO是一种双极铁磁性半导体,KCaCS和KCaCSe是完全补偿的亚铁磁性半导体。自旋极化主要来源于C的2p轨道。在水应力和四方畸变的条件下,所有的合金都会经过一个有趣的物理渐变过程。因此,这些材料将会是自旋电子器件的潜在替代品。