本發(fā)明涉及一種基于Co₂MnGe/GaAs界面半金屬性的制備工藝。

背景技術(shù)：

人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多霍伊斯勒合金具有半金屬特性，即一個(gè)自旋通道是金屬性的而另一個(gè)自旋通道是半導(dǎo)體性或絕緣性，從而展示100%的自旋極化。這種獨(dú)有的特性使得此類霍伊斯勒合金材料成為了半導(dǎo)體最佳的自旋極化電子注入源。因此，近年來(lái)，研究霍伊斯勒合金和半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)引起了許多科研工作者的極大興趣。除此之外，許多霍伊斯勒合金和常見半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)很容易匹配，故這些霍伊斯勒合金在實(shí)驗(yàn)上易于生長(zhǎng)在常見半導(dǎo)體上。然而，不得不提的是：盡管這些霍伊斯勒型的半金屬鐵磁體與一些常見的半導(dǎo)體有很好的晶格匹配度，但當(dāng)他們形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在異質(zhì)結(jié)的界面處，原來(lái)塊材中的半金屬性往往容易失去，即異質(zhì)結(jié)的界面不在具有半金屬特性。造成這種結(jié)果的原因也許是多方面的：像界面處原子的無(wú)序，氧化，缺陷造成的自旋散射，甚至是固有的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。無(wú)論是何原因，這種半金屬性在異質(zhì)結(jié)界面處退化的的現(xiàn)象都可直接或間接地歸因于結(jié)構(gòu)性因素。畢竟任何兩種不同材料間總是存在晶格失配的可能，即使他們的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)非常的接近。

對(duì)于半金屬材料和半導(dǎo)體間界面自旋極化的問(wèn)題，人們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上已經(jīng)有所研究。例如，Akbarzadeh等人基于密度泛函理論研究了Co₂MnSi/GaAs和Co₂FeSi/GaAs異質(zhì)結(jié)<001>方向的電磁性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在理想的SiMn/As界面處Co₂MnSi塊材中的半金屬特性依然存在，但Co₂FeSi塊材中的這種半金屬特性在與半導(dǎo)體GaAs的界面處則完全消失了。一篇關(guān)于Co₂CrAl/GaAs界面電子結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道：在Co₂CrAl/GaAs<110>方向上，電子的自旋極化率往往會(huì)保持的相對(duì)較高，甚至在個(gè)別<110>界面結(jié)構(gòu)上幾乎會(huì)達(dá)到100%。最近，Chadov等人利用霍伊斯勒材料Co₂MnAl和CoMnVAl兩種合金結(jié)構(gòu)和化學(xué)上的兼容性，通過(guò)第一性原理的方法合理地設(shè)計(jì)出了高自旋極化的磁阻結(jié)，理論上證實(shí)在Co₂MnAl/CoMnVAl異質(zhì)結(jié)的界面處展示半金屬特性。實(shí)驗(yàn)上，人們已在襯底硅（Si）上外延生長(zhǎng)出全霍伊斯勒合金Co₂FeSi薄膜；為了保證鐵磁性的穩(wěn)定性，以MgO為緩沖層，全霍伊斯勒合金Co₂MnSi超薄膜生長(zhǎng)在了鐵（Fe）襯底上。通過(guò)軟X射線的磁圓二色性（soft x-ray magnetic circular dichroism，XMCD），人們研究了全霍伊斯勒合金Co₂MnGe薄膜在富Co情況下Mn和Co原子的磁態(tài)。因此，從自旋電子學(xué)器件的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究半金屬材料和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜的電磁性質(zhì)（尤其是異質(zhì)結(jié)界面處的自旋極化）是非常重要的。

因此，現(xiàn)有工藝方法落后，需要改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新的基于Co₂MnGe/GaAs界面半金屬性的制備工藝。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于Co₂MnGe/GaAs界面半金屬性的制備工藝，包括以下步驟：

第一步：構(gòu)建全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)其晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得平衡晶格常數(shù)a_eq；

第二步：在平衡晶格常數(shù)a_eq下，對(duì)Co₂MnGe的態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算并加以分析，確定塊材的Co₂MnGe具有良好的半金屬性；

第三步：在<111>方向，構(gòu)建半金屬Co₂MnGe和半導(dǎo)體GaAs組成的四種界面結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化的過(guò)程中，為了盡可能的接近實(shí)際，允許界面附近左右5層的原子位置弛豫，其他原子位置固定；

第四步：計(jì)算優(yōu)化后的界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析，利用圖示法畫出界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度，并與塊材態(tài)密度進(jìn)行比較；

第五步：通過(guò)分析和比較，獲得具有半金屬特性的界面結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1-a全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe的晶體結(jié)構(gòu)；

圖1-b塊材結(jié)構(gòu)的態(tài)密度，豎直虛線表示費(fèi)米面；

圖2全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe和半導(dǎo)體GaAs在<111>方向界面結(jié)構(gòu)模型；

圖3 Co₂MnGe/GaAs<111>方向四種界面結(jié)構(gòu)的總態(tài)密度，陰影部分是塊材結(jié)構(gòu)中相應(yīng)原子的態(tài)密度，豎直虛線表示費(fèi)米面；

圖4 本發(fā)明工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。本說(shuō)明書及其附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實(shí)施例，但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本說(shuō)明書所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)某一元件固定于另一個(gè)元件，包括將該元件直接固定于該另一個(gè)元件，或者將該元件通過(guò)至少一個(gè)居中的其它元件固定于該另一個(gè)元件。當(dāng)一個(gè)元件連接另一個(gè)元件，包括將該元件直接連接到該另一個(gè)元件，或者將該元件通過(guò)至少一個(gè)居中的其它元件連接到該另一個(gè)元件。

一種基于Co₂MnGe/GaAs界面半金屬性的制備工藝，包括以下步驟：

第一步：構(gòu)建全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)其晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得平衡晶格常數(shù)a_eq；

第二步：在平衡晶格常數(shù)a_eq下，對(duì)Co₂MnGe的態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算并加以分析，確定塊材的Co₂MnGe具有良好的半金屬性；

第三步：在<111>方向，構(gòu)建半金屬Co₂MnGe和半導(dǎo)體GaAs組成的四種界面結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化的過(guò)程中，為了盡可能的接近實(shí)際，允許界面附近左右5層的原子位置弛豫，其他原子位置固定；

第四步：計(jì)算優(yōu)化后的界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析，利用圖示法畫出界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度，并與塊材態(tài)密度進(jìn)行比較；

第五步：通過(guò)分析和比較，獲得具有半金屬特性的界面結(jié)構(gòu)。

基于第一性原理的全勢(shì)線性綴加平面波(FPLAPW)方法的材料模擬軟件WIEN2K，我們對(duì)全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe塊材及其表面性質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。所采用的參數(shù)如下：與截?cái)嗄苡嘘P(guān)的參數(shù)R_mtK_max取為7.5，Co，Mn，Ge，Ga和As原子的muffin-tin半徑分別取為2.2, 2.1, 2.0, 2.3 和 2.3 a.u.，采用GGA-PBE形式的交換關(guān)聯(lián)泛函并且考慮相對(duì)論效應(yīng)，對(duì)界面結(jié)構(gòu)第一布里淵區(qū)積分設(shè)置14×14×1的 k點(diǎn)，自洽循環(huán)的收斂準(zhǔn)則是10^-5 Ry/f.u.；為了比較說(shuō)明Co₂MnGe 和GaAs塊材和界面結(jié)構(gòu)中電磁性質(zhì)的差異，我們還利用上述設(shè)置的參數(shù)對(duì)兩種材料塊材的性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，除了第一布里淵區(qū)積分設(shè)置為了14×14×14的k點(diǎn)。

首先，如圖1（a）所示，我們構(gòu)建全霍伊斯勒L₂₁型Co₂MnGe晶體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化獲得其平衡晶格常數(shù)，a₀=5.8037 ??；诖?，我們采用優(yōu)化的晶格常數(shù)a₀=5.8037 ?計(jì)算其塊材的電磁性質(zhì)，其態(tài)密度如圖1（b）所示，從圖1（b）我們可以清晰的看到塊材的Co₂MnGe具有明顯的半金屬特性，即自旋向上的通道穿過(guò)了費(fèi)米面，顯示金屬特性，自旋向下的通道在費(fèi)米面附近有一大約0.7eV的能隙，具有明顯的半導(dǎo)體特性。

接下來(lái)，我們重點(diǎn)關(guān)注半金屬Co₂MnGe和半導(dǎo)體GaAs界面的電磁性質(zhì)?；谖覀兩鲜鰞?yōu)化的塊材結(jié)構(gòu)，我們構(gòu)建Co₂MnGe/GaAs (111)方向四種界面結(jié)構(gòu)。圖2是以半金屬Co₂MnGe中的Ge原子和半導(dǎo)體GaAs中的As原子為界面層原子的界面結(jié)構(gòu)，記為Ge-As界面，是四種界面結(jié)構(gòu)一個(gè)代表模型。另外三種結(jié)構(gòu)分別是以半金屬Co₂MnGe中的Ge、CoMn原子和半導(dǎo)體GaAs中的As、Ga原子為界面層原子的界面結(jié)構(gòu)，為方便描述，我們分別記為：Ge-Ga、CoMn-As和CoMn-Ga界面。由于四種界面結(jié)構(gòu)的模型類似，故我們?cè)趫D2中僅畫出Ge-As界面作為一個(gè)代表。值得說(shuō)明的是：在<111>方向，Co₂MnGe有四種端面，而根據(jù)我們以前的計(jì)算，僅Ge和CoMn兩個(gè)表面具有半金屬性，故我們僅考慮Ge和CoMn兩種情況下的界面結(jié)構(gòu)，即和GaAs組成四種界面結(jié)構(gòu)。另外，為了理論模擬這四種界面結(jié)構(gòu)并研究其物性，我們對(duì)每種異質(zhì)結(jié)在<111>方向上都構(gòu)建了一個(gè)包含17個(gè)原子層的Co₂VGa和13個(gè)原子層的PbS的薄膜。在計(jì)算性質(zhì)前，我們首先對(duì)這四種界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：允許界面附近左右5層的原子位置弛豫，其他原子位置固定。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，我們計(jì)算此四種結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)，其態(tài)密度圖如圖3所示。同時(shí)，為了比較塊材結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)電子性質(zhì)的差別，也畫出了相應(yīng)塊材的原子態(tài)密度。從圖3中，我們可以看到一個(gè)令人振奮的現(xiàn)象： Ge-As界面維持了塊材中的半金屬特性，即自旋向上的電子表現(xiàn)出金屬特性而自旋向下的電子在費(fèi)米面附近有一個(gè)能隙，表現(xiàn)出絕緣性；并且，Ge-Ga界面也表現(xiàn)出近半金屬屬性；然而，對(duì)于另外兩種界面CoMn-As和CoMn-Ga界面，由于界面態(tài)的存在，塊材中的半金屬屬性被破壞了。由此可見，通過(guò)我們對(duì)四種界面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和對(duì)其態(tài)密度的分析，Ge-As和Ge-Ga兩個(gè)界面可以看做是很有前途的應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件的薄膜材料。

需要說(shuō)明的是，上述各技術(shù)特征繼續(xù)相互組合，形成未在上面列舉的各種實(shí)施例，均視為本發(fā)明說(shuō)明書記載的范圍；并且，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。