自旋電子學(xué)材料課件

1、自旋電子學(xué)材料的計(jì)算模擬與設(shè)計(jì),1988: 巨磁阻效應(yīng)(GMR),2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),自旋電子學(xué),傳統(tǒng)電子學(xué): 電子的電荷自由度自旋電子學(xué):電子的自旋自由度 優(yōu)勢(shì)：運(yùn)算速度更快, 高集成度, 低能耗等,自旋電子學(xué),解決這些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題依賴于新型自旋材料設(shè)計(jì)！,自旋電子學(xué)中三個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題:怎樣產(chǎn)生和注入自旋極化？怎樣在器件中實(shí)現(xiàn)自旋輸運(yùn)？怎樣有效的實(shí)現(xiàn)自旋操縱？,我們的工作,自旋產(chǎn)生與注入：設(shè)計(jì)了實(shí)

2、驗(yàn)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(yùn)：提出非對(duì)稱反鐵磁半導(dǎo)體的新概念，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了室溫磁性半導(dǎo)體材料自旋操控：通過(guò)提出雙極磁性半導(dǎo)體的新概念，設(shè)計(jì)了一系列BMS材料，可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)自旋極化的控制,自旋產(chǎn)生：半金屬,Half Metal,半金屬一個(gè)自旋通道為金屬，另一個(gè)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(shè)計(jì)的工作(I),JACS (20

3、06) 128, 2310,鐵磁耦合的過(guò)渡金屬苯環(huán)夾心化合物鏈,JACS (2008) 130, 4224,不對(duì)稱邊界修飾的鋸齒型石墨烯納米條帶,我們先前設(shè)計(jì)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(duì)外加應(yīng)力不敏感。,我們先前設(shè)計(jì)的工(III),理想半金屬的三個(gè)基本條件,JACS (2014) 136, 5664,高于室溫的鐵磁居里溫度足夠?qū)挼陌虢饘倌?/p>

4、隙 (~ 0.5 eV)，以有效阻止室溫下的自旋熱翻轉(zhuǎn)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(gòu)建合金材料材料具有“1111”型LaFeAsO超導(dǎo)的結(jié)構(gòu)基態(tài)是反鐵磁半導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)

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(yùn)：室溫磁性半導(dǎo)體？,磁性半導(dǎo)體材料研究得比較多的是稀磁半導(dǎo)體，但是在如何將其磁轉(zhuǎn)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(dǎo)體的必備條件,磁有序溫度高于或可比于室溫價(jià)帶和導(dǎo)帶具有高的自旋極化,研究現(xiàn)狀及困境,鐵磁半導(dǎo)體: EuS, CdCr2Se4, La2NiMnO6 …凈磁化高自旋極化居里溫度通常遠(yuǎn)低于室溫反鐵磁半導(dǎo)體:

7、LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …無(wú)凈磁化無(wú)自旋極化奈爾溫度通常比室溫高,稀磁半導(dǎo)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(dǎo)體的不足之處,室溫磁性來(lái)源于納米尺度的相分離, 即二次相室溫磁性對(duì)生長(zhǎng)條件和后續(xù)處理依賴性大體系在微觀上很復(fù)雜、可控性差、可重復(fù)性低,(Zn,Co)O 二次相分離Phys. Rev. B 88, 085204 (2013),是否存在其它簡(jiǎn)單的解決方法?,是否有可能將鐵磁半導(dǎo)體的

9、高自旋極化特點(diǎn)和反鐵磁半導(dǎo)體的高奈爾溫度特點(diǎn)結(jié)合到一個(gè)半導(dǎo)體材料？非對(duì)稱反鐵磁半導(dǎo)體的提出:對(duì)鐵磁半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，每個(gè)單胞的自旋磁矩必須為整數(shù)個(gè)玻爾磁子，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，這個(gè)整數(shù)可以為零（即反鐵磁耦合）。同時(shí)，在價(jià)帶導(dǎo)帶保持鐵磁半導(dǎo)體的高自旋極化特點(diǎn)。,非對(duì)稱反鐵磁半導(dǎo)體,基本設(shè)計(jì)思路,磁矩被設(shè)計(jì)成來(lái)源于兩種不同的磁性離子（或處于不同晶體場(chǎng)環(huán)境、或處于不同化合價(jià)態(tài)的同一元素離子），各磁矩之間通過(guò)反鐵磁形式耦合在一起。由于磁性離子間強(qiáng)的

10、反鐵磁超交換作用，體系的奈爾溫度 (TN) 很容易超過(guò)室溫。由于不同磁性離子間的磁軌道能級(jí)失配，體系的價(jià)帶和導(dǎo)帶將是高度自旋極化的。,Phys. Rev. B (2015) 92,125202,,非對(duì)稱反鐵磁半導(dǎo)體,HSC,BMS,非對(duì)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(jié)構(gòu),通過(guò)選擇雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的金屬離子來(lái)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(dǎo)體,自旋操控：電控制磁？,磁控制,VS,電控制,易于實(shí)現(xiàn)難于小型化與集成電路兼容性差,難于實(shí)現(xiàn)易于小型化與集成電路兼容性好,通過(guò)電場(chǎng)來(lái)控制自旋極化是下一代自旋電子學(xué)追求的一個(gè)重要目標(biāo),現(xiàn)有方法 (1),電場(chǎng)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(dǎo)體 (BMS),,直接通過(guò)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(kāi)關(guān),自旋極化振蕩器,BMS這一新型材料為自旋電子學(xué)中第三個(gè)科學(xué)問(wèn)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(chǎng)效應(yīng)自旋閥,半氫化碳納米管(1D),對(duì)B、N摻雜不敏感,典型的BMS電子結(jié)構(gòu)！,磁性的來(lái)源,pz 軌道形成離域的π 鍵,沒(méi)有氫化的碳原子上未成對(duì)的 pz 電子形成局域磁矩,模型器件與自旋輸運(yùn),

14、門壓可控的自旋輸運(yùn),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(qiáng)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(shè)計(jì),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