完整版自旋电子学材料课件
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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
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
JACS (2014) 136, 5664
室温半金属材料
掺杂的La(Mn0.5Zn0.5)AsO 合金材料
(Ca2+/Sr2+,La3+)掺杂
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。
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
? 反铁磁半导体: LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …
? 无净磁化 ? 无自旋极化 ? 奈尔温度通常比室温高
Rev. Mod. Phys.86, 187-251 (2014).
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
(Zn,Co)O 二次相分离 Phys. Rev. B 88, 085204 (2013)
Ni高一个数量级
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。
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.
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).
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 Grünberg The Nobel Prize in Physics
2007
2007年诺贝尔 物理学奖
? 传统电子学 :
电子的 电荷自由度
? 自旋电子学 :
电子的 自旋自由度
优势：运算速度更快, 高集成度, 低能耗等
?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
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
半金属能隙
源自文库
EF 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
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
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);
(H?/F?,O2?) 掺杂
? 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 ? 半金属能隙 0.74 eV ? 磁各向异性能比传统 Fe, Co,
自旋操控：电控制磁？
磁控制
电控制
? 易于实现 ? 难于小型化 ? 与集成电路兼容
性差
? 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).
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 :
? 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。
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
Tc > 300 K
通过选择双钙钛矿结构中的金属离子 来调控室温磁性
Phys. Rev. B (2015) 92,125202
自旋调控：双极磁性半导体
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
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
JACS (2014) 136, 5664
室温半金属材料
掺杂的La(Mn0.5Zn0.5)AsO 合金材料
(Ca2+/Sr2+,La3+)掺杂
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。
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
? 反铁磁半导体: LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …
? 无净磁化 ? 无自旋极化 ? 奈尔温度通常比室温高
Rev. Mod. Phys.86, 187-251 (2014).
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
(Zn,Co)O 二次相分离 Phys. Rev. B 88, 085204 (2013)
Ni高一个数量级
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。
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.
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).
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 Grünberg The Nobel Prize in Physics
2007
2007年诺贝尔 物理学奖
? 传统电子学 :
电子的 电荷自由度
? 自旋电子学 :
电子的 自旋自由度
优势：运算速度更快, 高集成度, 低能耗等
?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
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
半金属能隙
源自文库
EF 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
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
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);
(H?/F?,O2?) 掺杂
? 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 ? 半金属能隙 0.74 eV ? 磁各向异性能比传统 Fe, Co,
自旋操控：电控制磁？
磁控制
电控制
? 易于实现 ? 难于小型化 ? 与集成电路兼容
性差
? 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).
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 :
? 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。
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
Tc > 300 K
通过选择双钙钛矿结构中的金属离子 来调控室温磁性
Phys. Rev. B (2015) 92,125202
自旋调控：双极磁性半导体