專利名稱：具有高自旋極化率的半金屬磁性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及高自旋極化率材料，特別是涉及具有自旋極化率接近百分之百的半金屬磁性材料。
背景技術(shù)：
電子是電荷與自旋的統(tǒng)一載體，具有自旋屬性的電子在傳導(dǎo)過(guò)程中，當(dāng)材料尺度和物理的特征長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，能夠表現(xiàn)出獨(dú)特的物理效應(yīng)，例如巨磁電阻(GMR)、隧穿磁電阻、超大磁電阻效應(yīng)和自旋轉(zhuǎn)移等。在過(guò)去的100年中，以電場(chǎng)控制電子電荷的輸運(yùn)過(guò)程為基本原理的微電子學(xué)，已經(jīng)全面地改變了人們的日常生活，那么，是否可以通過(guò)控制電子的另一屬性一自旋，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其輸運(yùn)行為的操縱，從而創(chuàng)造新的信息時(shí)代呢？在自旋電子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得的諸多科研成果和工業(yè)應(yīng)用事實(shí)表明，這樣一種希望是非?，F(xiàn)實(shí)的，而且將是21世紀(jì)信息科學(xué)等高科技領(lǐng)域一個(gè)有重大突破的關(guān)健所在。高自旋極化率材料的應(yīng)用會(huì)極大促進(jìn)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器方面的發(fā)展。巨磁電阻是自旋電子學(xué)的范例，它迅速?gòu)奈锢戆l(fā)現(xiàn)到材料制備，直至最后器件產(chǎn)業(yè)化自1988年發(fā)現(xiàn)這種新材料以來(lái)，計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入了GNR時(shí)代(IBM公司語(yǔ))。例如，計(jì)算機(jī)硬盤在使用GMR讀出頭后，其記錄密度提高近500倍。但這些自旋電子學(xué)功能器件都要求材料在Fermi能級(jí)附近分別具有自旋向上與自旋向下的電子數(shù)目不平衡，而且這種不平衡越嚴(yán)重越有利，也即要求材料的自旋極化率越高越好。
電子自旋是與材料的磁性相關(guān)的。一個(gè)電子的自旋可以看作是一些具有極性的微小的磁體。電子的自旋可以自旋向上(↑)與自旋向下(↓)。利用材料中具有向上和向下電子數(shù)目的百分?jǐn)?shù)可以描述自旋極化率P。例如Cu的自旋極化率為0，普通磁性材料的P約為40％。
在上世紀(jì)八十年代，荷蘭學(xué)者Groot等經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁性材料，他們稱之為“半金屬”。這種新材料獨(dú)特之處在于它只有一種自旋方向是金屬的，也就是說(shuō)，所有表現(xiàn)出金屬性質(zhì)的電子都具有相同的自旋取向，而另一種相反的自旋取向則表現(xiàn)出絕緣或半導(dǎo)體性質(zhì)。理論上，這種半金屬材料可以具有100％的高自旋極化率。具有100％P的材料中所有電子具有相同的自旋取向，都向上或都向下，按照能帶理論，這意味著這種材料中只存在一種自旋幾率，也就是只具有一種自旋能帶，而另一種自旋能帶為空。而對(duì)于普通金屬兩種自旋能帶是同時(shí)存在的，這也是這種材料被稱為半金屬的原因。因而，在通常的情況下能態(tài)密度成為半金屬材料判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于Heusler型半金屬，在T＝OK時(shí)，其自旋磁矩正好是整數(shù)倍的Bohr磁子。這是因?yàn)樵谶@種材料中，總的自旋數(shù)目N＝N↑+N↓是整數(shù)；而在計(jì)入能隙區(qū)的情況下，每一種自旋取向，即N↑和N↓也都為整數(shù)；所以N↑-N↓也必然是一整數(shù)，此時(shí)如果忽略自旋—軌道耦合造成的附加磁矩，那么就會(huì)測(cè)量到一個(gè)整數(shù)或者非常接近整數(shù)的自旋磁矩。但需注意的是，利用這種以整數(shù)自旋磁矩作為半金屬判據(jù)是必要的，但并不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了尋找具有高自旋極化率的新型功能材料，特別是尋找新的具有自旋極化率高達(dá)百分之百的半金屬磁性材料，從而提供一系列新的具有高自旋極化率的磁性材料。
本發(fā)明提供具有高自旋極化率的半金屬磁性材料，具有如下化學(xué)式MnxCoyNzMw，其中，N是III-V族元素，如Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等的一種或多種，M為過(guò)渡族元素，如V，Cr，F(xiàn)e，Ni等的一種或多種；2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。
所述的MnxCoyNzMw系列合金是一批具有高自旋極化率的合金磁性材料，該系列材料中最高的理論計(jì)算自旋極化率達(dá)到100％，是典型的半金屬磁性材料，最低的自旋極化率為90％。其實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)最高為97％，最低為80％。


圖1是Mn2CoAl合金的計(jì)算能態(tài)密度(DOS)曲線。
圖2是Mn2CoSb合金的計(jì)算能態(tài)密度(DOS)曲線。
圖3是Mn2Co0.9Fe0.1Ga合金的計(jì)算能態(tài)密度(DOS)曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1按照化學(xué)式Mn2CoAl稱取Mn、Co和Al，然后將其混合后利用常規(guī)電弧熔煉的方法進(jìn)行反復(fù)熔煉，使樣品均勻。其制備條件為抽真空到1×10-1-1×10-6Pa后充入氬氣，在0.01到1MPa正壓力或者流動(dòng)氬氣的保護(hù)下進(jìn)行電弧熔煉。
材料化學(xué)式為Mn2CoAl的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例2按照化學(xué)式Mn2CoGa稱取Mn、Co和Ga，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoGa的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例3按照化學(xué)式Mn2CoSi稱取Mn、Co和Si，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoSi的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖2。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例4按照化學(xué)式Mn2CoIn稱取Mn、Co和In，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoIn的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例5按照化學(xué)式Mn2CoGe稱取Mn、Co和Ge，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoGe的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表2。
實(shí)施例6按照化學(xué)式Mn2CoSn稱取Mn、Co和Sn，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoSn的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖2。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例7按照化學(xué)式Mn2CoSb稱取Mn、Co和Sb，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoSb的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖2。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例8按照化學(xué)式Mn2.2Co0.8Sb稱取Mn、Co和Sb，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2.2Co0.8Sb的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖2。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例9按照化學(xué)式Mn2Co0.8Cr0.2Al稱取Mn、Co、Cr和Al，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2Co0.8Cr0.2Al的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例10按照化學(xué)式Mn2Co0.9Fe0.1Ga稱取Mn、Co、Fe和Ga，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2Co0.9Fe0.1Ga的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率93％。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖3。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例11按照化學(xué)式Mn2Co0.5V0.5Al稱取Mn、Co、V和Al，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2Co0.5V0.5Al的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例12按照化學(xué)式Mn2Co0.8Ni0.2Sb稱取Mn、Co、Ni和Sb，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2Co0.8Ni0.2Sb的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為92％。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖3。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例13
按照化學(xué)式Mn2CoSb0.8In0.2稱取Mn、Co、Sb和In，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoSb0.8In0.2的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為91％。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖3。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例14按照化學(xué)式Mn2CoSb0.3Al0.7稱取Mn、Co、Sb和Al，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2CoSb0.3Al0.7的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例15按照化學(xué)式Mn1.8CoGe1.2稱取Mn、Co和Ge，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn1.8CoGe1.2的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例16按照化學(xué)式Mn2Co1.1Si0.9稱取Mn、Co和Si，制備工藝同實(shí)施例1。
材料化學(xué)式為Mn2Co1.1Si0.9的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為100％，是典型的半金屬材料。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖1。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。
實(shí)施例17按照化學(xué)式Mn1.8Co1.1Si0.9Sb0.2稱取Mn、Co、Si和Sb，制備工藝同材料化學(xué)式為Mn1.8Co1.1Si0.9Sb0.2的磁性合金；計(jì)算獲得的自旋極化率為90％。其計(jì)算所得能態(tài)密度曲線形狀見(jiàn)圖3。測(cè)量其自旋極化率和飽和磁化強(qiáng)度，獲得數(shù)值見(jiàn)表1。


表權(quán)利要求
1.一種具有高自旋極化率的金屬磁性材料，其特征在于具有如下組成MnxCoyNzMw，其中，N是III-V族元素，如Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等的一種或多種，M是過(guò)渡族元素，如V，Cr，F(xiàn)e，Ni等的一種或多種；2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一系列具有高自旋極化率的金屬磁性材料，該系列材料具有化學(xué)式Mn
文檔編號(hào)H01L43/00GK1750181SQ20051010916
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者劉國(guó)棟, 代學(xué)芳, 柳祝紅, 朱志永, 陳京蘭, 吳光恒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所