[发明专利]一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料

说明书

技术领域

本发明一般涉及高自旋极化率材料，具体为一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料。

背景技术

电子是电荷与自旋的统一载体，具有自旋属性的电子在传导过程中，当材料尺度和物理的特征长度相当时，能够表现出独特的物理效应，例如巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻、超大磁电阻效应和自旋转移等。在过去的100年中，以电场控制电子电荷的输运过程为基本原理的微电子学，已经全面地改变了人们的日常生活，那么，是否可以通过控制电子的另一属性—自旋，来实现对其输运行为的操纵，从而创造新的信息时代呢？在自旋电子学领域已经取得的诸多科研成果和工业应用事实表明，这样一种希望是非常现实的，而且将是21世纪信息科学等高科技领域一个有重大突破的关健所在。高自旋极化率材料的应用会极大促进计算机存储器方面的发展。巨磁电阻是自旋电子学的范例，它迅速从物理发现到材料制备，直至最后器件产业化：自1988年发现这种新材料以来，计算机信息存储技术进入了GNR时代(IBM公司语)。例如，计算机硬盘在使用GMR读出头后，其记录密度提高近500倍。但这些自旋电子学功能器件都要求材料在Fermi能级附近分别具有自旋向上与自旋向下的电子数目不平衡，而且这种不平衡越严重越有利，也即要求材料的自旋极化率越高越好。

电子自旋是与材料的磁性相关的。一个电子的自旋可以看作是一些具有极性的微小的磁体。电子的自旋可以自旋向上(↑)与自旋向下(↓)。利用材料中具有向上和向下电子数目的百分数可以描述自旋极化率P。例如：Cu的自旋极化率为0，普通磁性材料的P约为40％。

在上世纪八十年代，荷兰学者Groot等经过理论计算，发现了一种新型的磁性材料，他们称之为“半金属”。这种新材料独特之处在于它只有一种自旋方向是金属的，也就是说，所有表现出金属性质的电子都具有相同的自旋取向，而另一种相反的自旋取向则表现出绝缘或半导体性质。理论上，这种半金属材料可以具有100％的高自旋极化率。具有100％P的材料中所有电子具有相同的自旋取向，都向上或都向下，按照能带理论，这意味着这种材料中只存在一种自旋几率，也就是只具有一种自旋能带，而另一种自旋能带为空。而对于普通金属两种自旋能带是同时存在的，这也是这种材料被称为半金属的原因。因而，在通常的情况下能态密度成为半金属材料判断标准。对于Heusler型半金属，在T＝0K时，其自旋磁矩正好是整数倍的Bohr磁子。这是因为在这种材料中，总的自旋数目N＝N↑+N↓是整数；而在计入能隙区的情况下，每一种自旋取向，即N↑和N↓也都为整数；所以N↑-N↓也必然是一整数，此时如果忽略自旋—轨道耦合造成的附加磁矩，那么就会测量到一个整数或者非常接近整数的自旋磁矩。但需注意的是，利用这种以整数自旋磁矩作为半金属判据是必要的，但并不充分。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种具有高自旋极化率的新型功能材料，特别是一种新的具有自旋极化率高达百分之百的半金属磁性材料，该系列材料中最高的理论计算自旋极化率达到100％，是典型的半金属磁性材料，其实验测量数据最高为97％，最低为80％。

本发明的技术方案为：

一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料，该材料的化学式为：V_xCo_yN_zM_w，其中，N是III-V族元素；M为过渡族元素；2≥x＞1，2＞y≥0，z＝1，1≥w≥0，x+y+z+w＝4。

所述的III-V族元素具体为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn和Sb中的一种或多种；

所述的过渡族元素为V、Cr、Mn、Fe和Ni中的一种或多种；

所述具有高自旋极化率的半金属磁性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1).按化学式V_xCo_yN_zM_w配比称料放入电弧坩埚内，其中，

N是III-V族元素中Al、Ga、In、Si、Ge、Sn和Sb中的一种或多种，M为过渡族元素中V、Cr、Mn、Fe和Ni中的一种或多种；2≥x＞1，2＞y≥0，z＝1，1≥w≥0，x+y+z+w＝4；

(2).将电弧炉抽真空到1×10^-1-1×10^-6Pa后，充入氩气，在0.01MPa到1MPa正压力或者流动氩气的保护下进行电弧熔炼2-3分钟，后冷却；重复熔炼3-5次，使合金材料分布均匀，最后得到产品。

本发明的有益效果为：