VGa/PbS界面半金屬性制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種C〇2VGa/PbS界面半金屬性制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 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，研宄霍伊斯 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。
[0003] 對(duì)于半金屬材料和半導(dǎo)體間界面自旋極化的問題，人們?cè)诤蛯?shí)驗(yàn)上已經(jīng)有所研 宄。例如，Akbarzadeh等人基于密度泛函研宄了 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C〇2FeSi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)的研宄報(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C 〇2MnAl和CoMnVAl兩種合金結(jié)構(gòu)和化學(xué)上的兼容性，通過 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)，上證實(shí)在Co 2MnAl/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 Co 2FeSi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。通過軟X射線的磁圓二色性（soft x-ray magnetic circular dichroism，XMCD)，人們研宄了全霍伊斯勒合金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)，研宄半金屬材料和半導(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。
[0004] C〇2VGa，作為一個(gè)全霍伊斯勒合金材料，最近在實(shí)驗(yàn)和上引起了人們的廣泛關(guān)注。 人們發(fā)現(xiàn)：C 〇2VGa不僅具有半金屬特性，而且其半金屬隙也較大，另外還有較高的居里溫 度。因此，全霍伊斯勒合金C〇2VGa非常適合制作成薄膜或多層膜來作為自旋電子學(xué)器件的 自旋極化電子注入源。，上已經(jīng)研宄了 C〇2VGa (111)方向上所有可能的四個(gè)表面的結(jié)構(gòu)、電 磁特性及其穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)：以Co原子為端面的兩個(gè)表面失去了塊材中的半金屬性，但是， 以Ga原子和V原子為端面的兩個(gè)表面保持了塊材中的這種半金屬特性，并且，以Ga原子為 端面的表面是四個(gè)表面中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在發(fā)明中，基于密度泛函來研宄全霍伊斯勒合金 Co2VGa和半導(dǎo)體組成異質(zhì)結(jié)的界面性質(zhì)。由于半導(dǎo)體PbS和半金屬材料Co2VGa有相似的結(jié) 構(gòu)和很好的晶格匹配度(這兩種材料有共同的空間群，Co 2VGa的晶格常數(shù)5. 8033和PbS的 晶格常數(shù)5. 94之間的失配率只有2. 3%)，而且，的計(jì)算還顯示全霍伊斯勒合金C〇2VGa在 半導(dǎo)體PbS的晶格常數(shù)5. 94A下仍然展示半金屬特性。因此，選取半導(dǎo)體PbS與C〇2VGa組 成異質(zhì)結(jié)以研宄其界面的電磁性質(zhì)及半金屬性。值得注意的是：由于在Co 2VGa (111)方向 上只有以Ga和V原子為端面的兩個(gè)表面保持了塊材中的這種半金屬特性。因此，僅僅考慮 了 Co2VGa以Ga和V原子為端面的兩個(gè)表面和半導(dǎo)體PbS以Pb和S原子為端面的兩個(gè)表 面所組成的界面，在（111)方向上它們共組成四個(gè)界面結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)。的計(jì)算結(jié)果將表明： 100%或近100%的自旋極化在Co 2VGa/PbS異質(zhì)結(jié)的界面處仍然發(fā)生。
[0005] 因此，現(xiàn)有工藝方法落后，需要改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種Co2VGa/PbS界面半金屬性制備工藝，包括以下步 驟： 第一步：構(gòu)建界面結(jié)構(gòu)； 在（111)方向上，僅考慮Co2VGa以Ga和V原子為端面的兩個(gè)表面，而半導(dǎo)體PbS也有 兩個(gè)表面，他們分別是以Pb和S原子為端面的表面。因此，在（111)方向上共有四種可能 的界面結(jié)構(gòu)。為方便起見，把這四種界面結(jié)構(gòu)分別命名為：V-S，V-Pb，Ga-S和Ga-Pb。為 了模擬這四種界面結(jié)構(gòu)并研宄其物性，對(duì)每種異質(zhì)結(jié)在（111)方向上都構(gòu)建了一個(gè)包含25 個(gè)原子層的C 〇2VGa和13個(gè)原子層的PbS的薄膜； 第二步：對(duì)上述四種界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化的過程中，為了盡可能的接近實(shí)際，允 許C〇2VGa和PbS這兩種材料中距離界面最近的5個(gè)原子層中的原子進(jìn)行位置弛豫，其他原 子位置固定； 第三步：計(jì)算優(yōu)化后的界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度、磁矩、界面能等物理量；對(duì)態(tài)密度和磁矩的 計(jì)算，主要包括界面層、次界面層、中心層原子的總態(tài)密度和d電子的分態(tài)密度及磁矩；另 外，根據(jù)界面能的定義，分別計(jì)算出此四種界面的界面能大小并加以比較； 第四步：分析界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度、磁矩、自旋極化及穩(wěn)定性；對(duì)態(tài)密度及穩(wěn)定性的分 析，利用圖示法，而對(duì)磁矩和自旋極化的分析，利用列表比較的工藝； 第五步：通過對(duì)第四步中圖形和表格分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 的半金屬界面薄膜。
[0007] 有益效果：利用第一性原理的全勢(shì)線性綴加平面波（FPLAPW)方法，在對(duì)Co 2VGa/ PbS (111)方向界面性質(zhì)進(jìn)行了研宄。在所考慮的四種界面結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和界面結(jié) 合能的計(jì)算都顯示V-S界面結(jié)構(gòu)是最有應(yīng)用價(jià)值的一個(gè)結(jié)構(gòu)。從給出的態(tài)密度圖中，得到： V-S和V-Pb兩種界面結(jié)構(gòu)分別表現(xiàn)出了半金屬和近半金屬特性，而Co 2VGa塊材中的半金屬 特性在另外兩個(gè)界面Ga_S和Ga_Pb中都被廣生的界面態(tài)破壞了。值得注意的是：對(duì)于Ga_S 和Ga-Pb兩種界面結(jié)構(gòu)，盡管它們不具有半金屬特性，但界面層原子仍然有較高的自旋極 化率，故它們同樣也可以應(yīng)用到自旋電子學(xué)器件當(dāng)中去。另外，還發(fā)現(xiàn)：由于界面層原子配 位數(shù)的降低，與塊材系統(tǒng)的原子磁矩比較，界面層V原子的磁矩增加了而次界面層Co原子 的磁矩降低了。本發(fā)明有助于實(shí)驗(yàn)上合成全霍伊斯勒合金C〇2VGa薄膜或多層膜，并為研宄 此類薄膜的電磁特性提供一個(gè)指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0008] 圖1 V-S界面結(jié)構(gòu)中界面層、次界面層原子的總態(tài)密度，陰影部分是塊材系統(tǒng)中相 應(yīng)原子的總態(tài)密度。豎直虛線表示費(fèi)米面； 圖2 V-Pb界面結(jié)構(gòu)中界面層、次界面層原子的總態(tài)密度，陰影部分是塊材系統(tǒng)中相應(yīng) 原子的總態(tài)密度。豎直虛線表示費(fèi)米面。
[0009] 圖3 Ga-S界面結(jié)構(gòu)中界面層、次界面層原子的總態(tài)密度，陰影部分是塊材系統(tǒng)中 相應(yīng)原子的總態(tài)密度。豎直虛線表示費(fèi)米面； 圖4 Ga-Pb界面結(jié)構(gòu)中界面層、次界面層原子的總態(tài)密度，陰影部分是塊材系統(tǒng)中相 應(yīng)原子的總態(tài)密度。豎直虛線表示費(fèi)米面； 圖5是本發(fā)明工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 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)的說明。 本說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 來實(shí)現(xiàn)，并不限于本說明書所描述的實(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。
[0011] 需要說明的是，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，或者將該元件通過至少一個(gè)居中 的其它元件連接到該另一個(gè)元件。
[0012] -種Co2VGa/PbS界面半金屬性制備工藝，包括以下步驟： 第一步：構(gòu)建界面結(jié)構(gòu)； 在（111)方向上，僅考慮Co2VGa以Ga和V原子為端面的兩個(gè)表面，而半導(dǎo)體PbS也有 兩個(gè)表面，他們分別是以Pb和S原子為端面的表面。因此，在（111)方向上共有四種可能 的界面結(jié)構(gòu)。為方便起見，把這四種界面結(jié)構(gòu)分別命名為：V-S，V-Pb，Ga-S和Ga-Pb。為 了模擬這四種界面結(jié)構(gòu)并研宄其物性，對(duì)每種異質(zhì)結(jié)在（111)方向上都構(gòu)建了一個(gè)包含25 個(gè)原子層的C 〇2VGa和13個(gè)原子層的PbS的薄膜； 第二步：對(duì)上述四種界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化的過程中，為了盡可能的接近實(shí)際，允 許C〇2VGa和PbS這兩種材料中距離界面最近的5個(gè)原子層中的原子進(jìn)行位置弛豫，其他原 子位置固定； 第三步：計(jì)算優(yōu)化后的界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度、磁矩、界面能等物理量；對(duì)態(tài)密度和磁矩的 計(jì)算，主要包括界面層、次界面層、中心層原子的總態(tài)密度和d電子的分態(tài)密度及磁矩；另 外，根據(jù)界面能的定義，分別計(jì)算出此四種界面的界面能大小并加以比較； 第四步：分析界面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度、磁矩、自旋極化及穩(wěn)定性；對(duì)態(tài)密度及穩(wěn)定性的分 析，利用圖示法，而對(duì)磁矩和自旋極化的分析，利用列表比較的工藝。
[0013] 第五步：通過對(duì)第四步中圖形和表格分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定的半金屬界面薄膜。
[0014] 在本章的計(jì)算中，所采用的參數(shù)如下：與截?cái)嗄苡嘘P(guān)的參數(shù)取為7.5, Co， V，Ga，Pb 和 S 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 14X14X1的左點(diǎn)，自洽循環(huán)的收斂準(zhǔn)則是1(T 5 Ry/f.u.;為了比較說明C〇2VGa和PbS塊 材和界面結(jié)構(gòu)中電磁性質(zhì)的差異，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 14X 14X 14的左點(diǎn)。
[0015] 界面結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性 已經(jīng)提到，