[发明专利]狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法

说明书

本发明所述的一种狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法，提出由第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成的X₃Y合金材料形成的狄拉克节点球半金属，其具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成了一个球壳状，该合金材料具有较大的SHC，以期向后续功能性纳米器件(如自旋存储器件SOT‑MRAM、磁传感器)实验提供理论基础与指导。狄拉克节点球半金属的晶体结构是以有序的L12相的Cu₃Au为基础结构，将第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成面心立方结构(fcc)仿真材料X₃Y。其中，处于面心的原子是第VB族过渡金属原子X(如Nb,Ta)，8个顶点处的原子为第V主族原子Y(如As,Sb,Bi)。

技术领域

本发明提出一种新型狄拉克节点球半金属，并结合仿真设计与应用分析实现了其制备及分析过程，属于金属化合物材料领域。

背景技术

伴随高速运算能力及储存需求的快速增长，存储芯片等尖端半导体行业极受关注。其中，磁阻式随机存取储存器(MRAM)因具有低耗能、写入速度快等特性，逐渐成为产学双方共同研发的重点项目。前三代MRAM均面临磁矩反转效率低下等问题，基于自旋轨道耦合相互作用的自旋轨道矩(SOT)的SOT-MRAM可以实现高效的电场操控以及翻转铁磁层矩，产生非常大的自旋霍尔电导(SHC)。经研究发现，SOT-MRAM可以比STT-MRAM快一个数量级，开关能量可减少至少两个数量级，写入速度可提高20倍，位密度增加10倍等。因此，对高速、低功耗的信息存储和逻辑运算器件的发展具有重要的应用前景。对SOT-MRAM的制备而言，极大的障碍之一就是器件材料的选取。实现高效、低功耗、可批量生产的SOT-MARM器件的关键之一就是探索具有较大SHC的新型材料。

众所周知，自旋霍尔电导(SHC)起源于自旋轨道耦合(SOC)相互作用，与本征自旋霍尔效应(SHE)密切相关。当前对具有较强SHE的材料的研究主要集中于重金属和拓扑绝缘体。但是，以上两类材料在实用性上均存在SHC相对较小的问题，在具有强烈SHE的材料中寻找具有较大SHC的新型材料则有望突破该障碍。

目前发现，具有狄拉克锥能带结构的材料有许多优异的物理特性，如强烈的霍尔效应(SHE)和极高的载流子迁移率等。而狄拉克半金属是一种具有非平庸拓扑性质的新型材料,其能带满足描述相对论粒子能量-动量关系的狄拉克方程，在费米面附近具有三维狄拉克点,在狄拉克点处能带结构的四重简并一般由晶格对称性与时间反演对称性共同保护。该类材料已成为最近凝聚态领域和材料科学领域研究的热点。

现有对具有较强自旋霍尔效应的材料研究主要分为以下两大类：一类是，具有较强自旋轨道耦合的重金属，如Ta，W等，但它们在费米能级处的SHC却比较小。即使铂金Pt的SHC超过因Pt是稀土贵金属，价格昂贵等因素限制其在实际应用中的大批量生产；另一类是，被预测具有强烈自旋霍尔效应的理想材料即拓扑绝缘体，即便它展现出许多优异的物理特性，但研究发现相对一般金属(电阻率约10¹—10²μΩcm)，其电阻率通常较高(约10³—10⁴μΩcm)，这导致了电流难注入的问题，阻碍该类材料在SOT-MRAM等自旋电子器件领域的应用。实际上，SHC在以上两类材料中都比较小，如GaAs～100,WTe₂400,OsO₂～541,TaAs～781,β-W～1255,4d和5d过渡金属

受到当前实验条件的不确定性限制，发现新型狄拉克材料将是一个复杂而漫长的过程。而理论计算可以设计一种新型材料，通过模拟计算和数值分析来预测一些兼具拓扑特性和金属性质的新型材料即狄拉克半金属，从而为实验研究提供指导及理论依据，能够有效地减少实验过程中的盲目性。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容