在（111)方向上，僅考慮Co2VGa以Ga和V原子為端面的兩個表面，而半導 體PbS也有兩個表面，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構，它們是：V端面連接S端面，V端面連接Pb端面，Ga端面連接S端 面和Ga端面連接Pb端面。為方便起見，把這四種界面結構分別命名為：V-S，V-Pb，Ga-S 和Ga-Pb。為了模擬這四種界面結構并研宄其物性，對每種異質結在（111)方向上都構建了 一個包含25個原子層的C 〇2VGa和13個原子層的PbS的薄膜。需要指出的是：由于構建的 薄膜具有中心對稱性，所以在每個薄膜中都包含兩個相同的界面層。后面的計算結果將會 說明所構建的界面結構是合理的，原子層的厚度是足夠的，完全可以研宄Co 2VGa/PbS界面 (111)方向上的電磁特性。
[0016] 出于實驗上能夠外延生長此類異質結薄膜的考慮，以PbS的實驗晶格常數(shù)5. 94為 薄膜面內的晶格參數(shù)，并且，允許C〇2VGa和PbS這兩種材料中距離界面最近的5個原子層 中的原子進行位置弛豫。優(yōu)化后的界面層原子間的鍵長在表1中列出，同時，為了比較優(yōu)化 結果的合理性，在表1中還搜集了一些在塊材系統(tǒng)中相應原子間的鍵長。從表1中，可以看 出：對于V-S和Ga-S兩個異質結，優(yōu)化后的界面層原子間的鍵長和塊材系統(tǒng)中相應原子間 的鍵長是可以比擬的。這說明優(yōu)化的結果是合理的，在半金屬霍伊斯勒合金C 〇2VGa和半導 體PbS的界面處有原子成鍵的存在。
[0017] 表1 Co2VGa/PbS (111)方向四種界面結構的界面結合能和界面層原子間的鍵長 (為比較，也給出了部分塊材系統(tǒng)中相應原子間的鍵長)。
[0018] 對于所考慮C〇2VGa/PbS (111)方向四種不同的異質結，為了比較它們相對的穩(wěn)定 性，首先計算了它們相應的界面結合能。這里，界面結合能定義為：把一個界面分離成兩個 獨立的表面所需要的單位面積上的能量。對于C〇2VGa/PbS界面，界面結合能可寫為：
其中，2J是總的界面面積，之所以乘2是因為構建的異質結中包含兩個等價的界面； grafts是c〇2VGa/pbs異質結的總能量;和&分別是 c〇2VGa和PbS表面的總能 量，值得說明的是：這兩種材料表面的構建是通過在異質結中保留一種材料而另外一種材 料用真空替換獲得的。界面能計算的結果也在表1中列出。從表1中，可以看出：界面能對 于 V-S (4.75 J.nT2)，Ga-Pb (3.57 J.nT2)，Ga-s (2.30 J.nT2)，和 V-Pb (1.89 J.nT2) 四種界面逐漸變小。因為界面能越大，界面結構就越穩(wěn)定。所以的計算結果意味著：V-S界 面相對是最穩(wěn)定的異質結構，而V-Pb界面則是最不穩(wěn)定的一個。
[0019] 電子結構及半金屬性 為了核實全霍伊斯勒合金Co2VGa塊材中的半金屬性在Co2VGa/PbS異質結（111)方向上 是否被破壞，對所考慮的四種界面結構計算了它們界面層、次界面層原子總的態(tài)密度，如圖 1-4所示。為了與塊材的性質相比較，塊材中相應原子的態(tài)密度也在圖中有所顯示。從圖1 中，可以看到：對于V-S界面的界面層原子V，其自旋向上的電子是金屬性的而自旋向下的 電子在費米面附近有一個能隙，只不過這個自旋向下的能隙比塊材C 〇2VGa中的能隙小了一 些，即C〇2VGa塊材中的半金屬性依然存在于V-S界面結構中。另外，值得注意的是：來自于 半導體PbS中的界面層原子S也展示了這種半金屬性。這說明界面層原子V和S之間發(fā)生 了較強的相互作用從而使S原子有了很強的自旋極化。此現(xiàn)象與上節(jié)結構優(yōu)化的結果相吻 合：在半金屬全霍伊斯勒合金C 〇2VGa和半導體PbS異質結的界面處存在原子成鍵。此外， 圖1還顯示：次界面層原子Co也展示出半金屬性，并且費米面處自旋向下的能隙比界面層 原子更接近于塊材中相應原子的能隙；對于圖2中V-Pb界面結構，因為界面層原子V自旋 向下的態(tài)密度向低能區(qū)移動，導致費米面剛好落到導帶的底部，所以，V-Pb界面結構中界面 層的V原子展示了近半金屬特性（nearly half-metallic character)。由于界面層原子V 和Pb之間的相互作用，界面層原子Pb和次界面層原子Co也表現(xiàn)出了近半金屬性質；然而， 從圖3和4中，可以看出：由于在自旋向下的能隙內出現(xiàn)了 一些界面態(tài)，Co2VGa塊材中的半 金屬特性在Ga-S和Ga-Pb兩個界面結構中被破壞了。而且，這些界面態(tài)是非局域的，以至 于在次界面層中也有出現(xiàn)。
[0020] 磁性及自旋極化 為了定量的描述界面效應對C〇2VGa/PbS異質結電磁性質的影響，接下來計算了上述四 個界面結構中界面層、次界面層原子的磁矩，并列于表2中。為方便比較，半金屬材料C〇2VGa 和半導體材料PbS塊材和中心層原子的磁矩也一并列出。從表2中可以看出：一方面，所有 界面結構中兩種材料中心層原子的磁矩與相應塊材結構中原子的磁矩幾乎相等，這說明選 取的半金屬材料和半導體材料的厚度足以滿足的要求，可以用來研宄異質結的電磁性質。 另一方面，對于所有研宄的界面結構，半金屬材料Co 2VGa薄膜中次界面層Co原子的磁矩都 小于塊材中的相應值，然而，在V-S和V-Pb兩個異質結中，界面層V原子的磁矩卻大于塊材 中的相應值。對于這種磁矩的變化，可以從原子配位數(shù)的角度來解釋：由于界面層原子配位 數(shù)的降低，導致了 Co (V)原子，主要是d電子的重新雜化，從而降低(提高)了他們的交換劈 裂，結果，過渡金屬Co (V)的d電子在自旋向上和自旋向下之間的轉移降低（提高）了相應 的磁矩。事實上，界面層和次界面層原子磁矩的這些變化，也可以從上節(jié)態(tài)密度圖中定性的 得到理解。
[0021] 此外，根據(jù)自旋極化率的定義，=(N丨-N丨V(N丨+N丨），(這里，N丨和N I 分別是自旋向上和自旋向下的電子在費米面處的態(tài)密度數(shù))，在表2中也給出了所研宄的四 種界面結構中界面層和次界面層原子的自旋極化率。對于V-S界面結構，界面層和次界面 層原子的自旋極化率都是100%，進一步說明了塊材C 〇2VGa的半金屬特性在V-S界面結構中 得以保留。而對于V-Pb界面結構，相應原子的自旋極化率也很高，接近于100% (界面層原 子V和次界面層原子Co的自旋極化率分別達到了 94%和95%)，表現(xiàn)出了近半金屬特性。對 于Ga-S和Ga-Pb兩種界面結構，雖然塊材系統(tǒng)中的半金屬特性在這兩種結構中消失了，但 界面層原子Ga的自旋極化率仍然較高(分別為74%和61%)。眾所周知，較高的自旋極化率 是自旋電子學器件應用的前提條件。因此，所研宄的四種C 〇2VGa/ PbS異質結都可看作是 自旋電子學器件應用的有力競爭者。
[0022] 表2 Co2VGa/PbS (111)方向四種界面結構中界面層、次界面層（帶*)原子的磁矩 (iO和自旋極化（產(chǎn))。為方便比較，半金屬材料Co2VGa和半導體材料PbS塊材和中心層原子 的磁矩也一并列出。
[0023] 利用第一性原理的全勢線性綴加平面波（FPLAPW)方法，在對Co2VGa/PbS (111)方 向界面性質進行了研宄。在所考慮的四種界面結構中，結構的優(yōu)化和界面結合能的計算都 顯示V-S界面結構是最有應用價值的一個結構。從給出的態(tài)密度圖中，得到：V_S和V-Pb兩 種界面結構分別表現(xiàn)出了半金屬和近半金屬特性，而C 〇2VGa塊材中的半金屬特性在另外兩 個界面Ga-S和Ga-Pb中都被廣生的界面態(tài)破壞了。值得注意的是：對于Ga -S和Ga-Pb兩 種界面結構，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 同樣也可以應用到自旋電子學器件當中去。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)明有助于實驗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 電磁特性提供一個指導。
[0024] 需要說明的是，上述各技術特征繼續(xù)相互組合，形成未在上面列舉的各種實施例， 均視為本發(fā)明說明書記載的范圍；并且，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加 以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種Co 2VGa/PbS界面半金屬性制備工藝，其特征在于，包括以下步驟： 第一步：構建界面結構；在（111)方向上，僅考慮Co2VGa以Ga和V原子為端面的兩個 表面，而半導體PbS也有兩個表面，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構；為方便起見，把這四種界面結構分別命名為：V-S，V-Pb， Ga-S和Ga-Pb ;為了模擬這四種界面結構并研宄其物性，對每種異質結在（111)方向上都構 建了一個包含25個原子層的Co2VGa和13個原子層的PbS的薄膜； 第二步：對上述四種界面進行結構優(yōu)化；在優(yōu)化的過程中，為了盡可能的接近實際，允 許Co2VGa和PbS這兩種材料中距離界面最近的5個原子層中的原子進行位置弛豫，其他原 子位置固定； 第三步：計算優(yōu)化后的界面結構的態(tài)密度、磁矩、界面能等物理量；對態(tài)密度和磁矩的 計算，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：分析界面結構的態(tài)密度、磁矩、自旋極化及穩(wěn)定性；對態(tài)密度及穩(wěn)定性的分 析，利用圖示法，而對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%自旋極化且結構穩(wěn)定 的半金屬界面薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種Co2VGa/PbS界面半金屬性制備工藝，包括以下步驟：第一步：構建界面結構；第二步：對上述四種界面進行結構優(yōu)化；在優(yōu)化的過程中，為了盡可能的接近實際，允許距離界面最近的5個原子層中的原子進行位置弛豫，其他原子位置固定；第三步：計算優(yōu)化后的界面結構的態(tài)密度、磁矩、表面能等物理量；第四步：分析界面結構的態(tài)密度、磁矩、自旋極化及穩(wěn)定性；第五步：通過對第四步中圖形和表格分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結構穩(wěn)定的半金屬界面薄膜。
【IPC分類】H01L43/10, H01L43/12
【公開號】CN104953028
【申請?zhí)枴緾N201510319532
【發(fā)明人】韓紅培
【申請人】許昌學院
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月12日