自旋电子学材料课件

自旋电子学

自旋电子学中三个基本科学问题:

怎样产生和注入自旋极化？ 怎样在器件中实现自旋输运？ 怎样有效的实现自旋操纵？
解决这些关键科学问题依赖于新型自旋材料设计！
我们的工作
自旋产生与注入：设计了实验上易于制备的室温半金属 以及不含金属原子的半金属材料 自旋输运：提出非对称反铁磁半导体的新概念，并在此 基础上设计了室温磁性半导体材料 自旋操控：通过提出双极磁性半导体的新概念，设计了 一系列BMS材料，可以实现电场对自旋极化的控制
Phys. Rev. B (2015) 92,125202


非对称反铁磁半导体
HSC
BMS
非对称磁性离子间的反铁磁耦合提供了一种获得室温磁性的普适方案
双钙钛矿结构
通过选择双钙钛矿结构中的金属离子
来调控室温磁性
Tc > 300 K
Phys. Rev. B (2015) 92,125202
自旋调控：双极磁性半导体
VI
• 探索反铁磁自旋电子学。 三大优势：反铁磁材料更易获得、反铁磁材料间磁作用干扰很弱、反铁磁材料磁化状 态反转速度比铁磁材料更快。
Natl. Sci. Rev. (2016) doi: 10.1093/nsr/nww026
致谢
自旋操控：电控制磁？
磁控制
易于实现 难于小型化 与集成电路兼容 性差
电控制
难于实现 易于小型化 与集成电路兼容 性好
通过电场来控制自旋极化是下一代自旋电子学追求的一 个重要目标
现有方法 (1)

电场调制朗德g因子
Y. Kato, et al. Science 299, 1201 (2003).
电子掺杂 空穴掺杂
FeVZrSi合金: Zr替代Ti
Δ1= 1.25 eV, Δ2= 0.58 eV, Δ3= 0.84 eV
影响与评价
BMS材料设计
本课题组：
Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 497 Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 15793 J. Mater. Chem. C (2013) 1, 7197 J. Am. Chem. Soc. (2014) 136, 5664 Appl. Phys. Lett. (2014) 104, 172403 J. Mater. Chem. C (2015) 3, 2563
我们提出的概念
自旋电子学材料发展的方向
I
• 提出新概念和新型自旋电子学材料。例如，出于科学研究本身的兴趣以及自旋电子学器件的构造考虑，发展具 有多个功能或特性的自旋电子学材料将成为一个重要方向。 • 寻找更多可替代的自旋电子学材料。例如半金属、双极磁性半导体和非对称反铁磁半导体材料等。契机：材料 基因组计划
On Off Off
半氢化碳纳米管(1D)
典型的BMS电子结构！
对B、N掺杂不敏感
磁性的来源
pz 轨道形成离域的π 键
没有氢化的碳原子上未成对的 pz 电子形成局域磁矩
模型器件与自旋输运
门压可控的自 旋输运
Nanoscale (2012) 4, 5680
半氢化SiC双层(2D)
典型 BMS！
JACS (2014) 136, 5664
室温半金属材料
掺杂的La(Mn0.5Zn0.5)AsO 合金材料
基于LaMnAsO和LaZnAsO 构建合金材料 材料具有“1111”型 LaFeAsO超导的结构
基态是反铁磁半导体
电子掺杂、空穴掺杂形成半 金属材料 居里温度 475 ~ 600 K
自旋电子学材料的 计算模拟与设计
自旋电子学

1988: 巨磁阻效应(GMR)
Albert Fert Peter Grü nberg The Nobel Prize in Physics 2007
2007年诺贝尔 物理学奖
传统电子学: 自旋电子学: 电子的电荷自由度 电子的自旋自由度
优势：运算速度更快, 高集成度, 低能耗等
现有方法 (2)

基于自旋轨道耦合的调控
K. C. Nowack, et al. Science 318, 1430 (2007).
现有方法 (3)

多铁体系的磁电耦合调控
S. W. Yang, et al. Adv. Mater. 26, 7091 (2014).
双极磁性半导体 (BMS)
直接通过门电压调控 自旋极化方向
VG < 0
Nanoscale (2012) 4, 5680. PCCP (2013) 15, 15793.
VG > 0
基于BMS的自旋操控 (1)
自旋极化开关
自旋极化振荡器
BMS这一新型材料为自旋电子学中第三个科学问题提供了理 想的解决方案！
基于BMS的自旋操控 (2)
场效应自旋阀
VG1, VG2 > 0 or VG1, VG2 < 0 VG1 > 0 and VG2 < 0 VG1 < 0 and VG2 > 0
MnPSe3纳米片(2)
中性
空穴掺杂
电子掺杂
电子或空穴掺杂的MnPSe3纳米片是自旋相反的两种铁磁半金属
JACS (2014) 136, 5664
FeVTiSi Heusler 合金(3D)
Tc ~ 1200 K
JMCC (2015) 3, 2563
Δ1= 1.26 eV Δ2= 0.36 eV Δ3= 0.27 eV
PCCP (2013) 15, 497
表层N掺杂(SiC)n纳米薄层
N
Si C
n=8
n=8
APL (2014) 104,
172403
MnPSe3纳米片(1)
d0= 3.22 Å (exp. 3.27 Å) dSe-Se= 3.9 Å
剥离体相 MnPSe3的可行性
剥离能 Ecl =0.24 J/m2 (Graphite: 0.36 J/m2) 剥离强度:1.2 GPa
室温磁性半导体的必备条件

磁有序温度高于或可比于室温

价带和导带具有高的自旋极化
研究现状及困境

铁磁半导体: EuS, CdCr2Se4, La2NiMnO6 …



净磁化 高自旋极化 居里温度通常远低于室温 无净磁化 无自旋极化 奈尔温度通常比室温高

反铁磁半导体: LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …
室温稀磁半导体的不足之处

室温磁性来源于纳米尺度 的相分离, 即二次相 室温磁性对生长条件和后 续处理依赖性大 体系在微观上很复杂、可 控性差、可重复性低
源自文库

(Zn,Co)O 二次相分离 Phys. Rev. B 88, 085204 (2013)

是否存在其它简单的解决方法?


是否有可能将铁磁半导体的高自旋极化特点和反 铁磁半导体的高奈尔温度特点结合到一个半导体 材料？ 非对称反铁磁半导体的提出:


稀磁半导体:一种可能的方案
Zener model prediction Science 287, 1019-1022 (2000).
Zn1-xCoxO 室温铁磁行为 Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001). Related reviews: Nature Mater. 9, 965-974 (2010); Chem. Soc. Rev. 39, 528-539 (2010); Rev. Mod. Phys. 86, 187-251 (2014).
其他课题组：
Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 143115 Carbon (2014) 69, 142 Phys. Chem. Chem. Phys. (2015) 17, 17957 J. Phys. Chem. C (2015) 119, 10610
…
自旋电子学材料
自旋材料分类
半金属能隙 0.74 eV
磁各向异性能比传统Fe, Co, Ni高一个数量级
(Ca2+/Sr2+,La3+)掺杂
(H−/F−,O2−) 掺杂
JACS (2014) 136, 5664
自旋输运：室温磁性半导体？
磁性半导体材料研究得比较多的是稀磁半导体，但是在如何 将其磁转变温度提高到室温方面目前仍面临巨大挑战。
自旋产生：半金属
半金属一个自旋通道为金属，另一个自旋通道为绝缘体，是 一种理想的产生自旋极化的材料。 绝缘体通道 金属通道
EF
半金属能隙
Half Metal
我们先前设计的工作(I)
铁磁耦合的过渡金属苯环夹心化合物链
JACS (2006) 128, 2310
我们先前设计的工作(II)
不对称边界修饰的锯齿型石墨烯纳米条带

对铁磁半导体来说，每个单胞的自旋磁矩必须为整数个 玻尔磁子，经过精心设计，这个整数可以为零（即反铁 磁耦合）。同时，在价带导带保持铁磁半导体的高自旋 极化特点。
非对称反铁磁半导体
基本设计思路

磁矩被设计成来源于两种不同的磁性离子（或处于不同晶 体场环境、或处于不同化合价态的同一元素离子），各磁 矩之间通过反铁磁形式耦合在一起。 由于磁性离子间强的反铁磁超交换作用，体系的奈尔温度 (TN) 很容易超过室温。 由于不同磁性离子间的磁轨道能级失配，体系的价带和导 带将是高度自旋极化的。
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 warm enough for spintronics applications.
JACS (2008) 130, 4224
我们先前设计的工(III)
基于B或N掺杂的三角形石墨烯 片分子得到的孔状材料是稳定的 半金属，对外加应力不敏感。
JACS (2012) 134, 5718
理想半金属的三个基本条件


高于室温的铁磁居里温度 足够宽的半金属能隙 (~ 0.5 eV)，以有 效阻止室温下的自旋热翻转跃迁 大的磁各向异性能，确保在室温下材料 磁化的稳定性
II
III
• 发展在室温环境下可用的自旋电子学材料。对于半金属，需要具备高于室温的铁磁居里温度，较宽的半金属能 隙，以及显著的磁各向异性；对于磁性半导体，需要具备室温磁有序以及高自旋极化。
IV
• 设计低维的自旋电子学材料用以构造纳米尺度的自旋电子学器件。这是实现器件尺寸最小化的必然要求。
V
• 研究和调制磁性金属和磁性半导体界面的自旋电子性质和行为。例如，如何在界面实现自旋的“欧姆接触”， 使自旋通过界面后保持自旋极化率不变？此外，控制两个元件材料之间的磁相互作用对于器件集成也至关重要。