一種基于Co₂MnGe表面半金屬性的制備工藝的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于Co2MnGe表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；第二步：在平衡晶格常數(shù)aeq下，對(duì)Co2MnGe的態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算并加以分析；第三步：構(gòu)建Co2MnGe<111>方向四種表面結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化；第四步：計(jì)算優(yōu)化后的表面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析；第五步：通過(guò)分析和比較，獲得具有半金屬特性的表面結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
_種基于Go2MnGe表面半金屬性的制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于Co2MnGe表面半金屬性的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，向半導(dǎo)體注入高效的自旋極化電流，在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域引起了人們的極大興趣。但對(duì)這種自旋極化注入的機(jī)理，人們至今也沒(méi)有完全理解。一個(gè)主要的原因在于:在冗長(zhǎng)的量子輸運(yùn)過(guò)程中，自旋注入源和半導(dǎo)體襯底之間產(chǎn)生了較大的阻抗失配。半金屬鐵磁體，由于在一個(gè)自旋方向上展示金屬性另一個(gè)方向上表現(xiàn)出半導(dǎo)體或絕緣性，導(dǎo)致在費(fèi)米面附近產(chǎn)生100%的自旋極化，故被人們看作是理想的自旋注入源。如今，人們發(fā)現(xiàn)了許多種材料都具有上述的半金屬鐵磁性，比如:金紅石型的Cr02，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬磷或硫?qū)倩衔?，Clb型的半霍伊斯勒合金或L21型的全霍伊斯勒合金(ful 1-Heusleralloy)，閃鋅礦或巖鹽結(jié)構(gòu)的堿土金屬氮化物和碳化物。在這些半金屬鐵磁體當(dāng)中，全霍伊斯勒合金擁有較高的居里溫度，較高的磁矩，尤其是與常見(jiàn)的半導(dǎo)體之間具有良好的晶格匹配度，因此它在自旋電子學(xué)器件的實(shí)際應(yīng)用中被看作是最有前景的自旋注入源。
[0003]然而，大多數(shù)半金屬鐵磁體都是以薄膜或多層膜的形式應(yīng)用到自旋電子學(xué)器件中去的，而且，即使在塊材中具有半金屬性，當(dāng)這種半金屬鐵磁體制作成薄膜或多層膜時(shí)，在其表面或界面區(qū)域也不能保證此種半金屬行為依然存在。例如，Galanakis研究小組發(fā)現(xiàn)半霍伊斯勒合金NiMnSb的〈001〉和〈111〉表面及全霍伊斯勒合金Co2MnGe，Co2MnSi和Co2CrAl的〈001〉表面就失去了其塊材中的半金屬特性，但Co2CrAl以CrAl為端面的〈001〉表面表現(xiàn)出了極高的自旋極化率，大約在84%左右；自旋極化的態(tài)密度顯示，半金屬鐵磁體Co2FeSi〈001>表面和其與半導(dǎo)體GaAs在〈001〉方向形成的界面都失去了其塊材中的半金屬行為;最近的研究發(fā)現(xiàn)，CaN/InN〈l 11>方向的四個(gè)界面中只有兩個(gè)界面保持了 CaN塊材中的半金屬性，而SrN/GaP〈lll>方向只有一個(gè)界面維持了SrN塊材中的此種特性。因此，研究半金屬鐵磁體表面及其與常見(jiàn)半導(dǎo)體的界面結(jié)構(gòu)、電磁特性及其穩(wěn)定性對(duì)于自旋電子學(xué)器件的制備及應(yīng)用是非常必要的。
[0004]因此，現(xiàn)有工藝方法落后，需要改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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表面半金屬性的制備工
-H-
O
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于Co2MnGe表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)aeq;
第二步:在平衡晶格常數(shù)am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:構(gòu)建Co2MnGe(Ill)方向四種表面結(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，允許外面前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)化后的表面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析，利用圖示法畫(huà)出表面結(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表面結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖Ι-a全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶體結(jié)構(gòu)圖l_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(Ill)方向表面結(jié)構(gòu)模型；
圖3全霍伊斯勒L21型Co2MnGe(Ill)方向四種表面結(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】
[0008]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(shū)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(shū)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(kāi)內(nèi)容的理解更加透徹全面。
[0009]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。
[0010]一種基于Co2MnGe表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)aeq;
第二步:在平衡晶格常數(shù)aeq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:構(gòu)建Co2MnGe〈lll>方向四種表面結(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，允許外面前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)化后的表面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析，利用圖示法畫(huà)出表面結(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表面結(jié)構(gòu)。
[0011]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: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)，Co，Mn和Ge原子的muff in_tin半徑分別取為2.2，2.2和2.1 a.u.，與截?cái)嗄苡嘘P(guān)的參數(shù)RmtKmax取為7.5，第一布里淵區(qū)積分對(duì)塊材和表面結(jié)構(gòu)分別設(shè)置12 X 12 X 12和12 X 12 X I的k點(diǎn)，自洽循環(huán)的收斂準(zhǔn)則是10—5Ry/f.u.ο
[0012]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)，ao=5.8037 A?；诖?，我們采用優(yōu)化的晶格常數(shù)ao=5.8037 A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。
[0013]接下來(lái)，我們重點(diǎn)關(guān)注Co2MnGe表面的電磁性質(zhì)?；谖覀兩鲜鰞?yōu)化的塊材結(jié)構(gòu)，我們建立Co2MnGe〈lll>方向可能的四種表面結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2是以Ge原子為端面的表面結(jié)構(gòu)，記為Ge表面，是四種表面結(jié)構(gòu)一個(gè)代表模型。另外三種結(jié)構(gòu)分別是以CoMn原子，Mn原子和CoGe原子為端面的表面，我們分別記為CoMn，Mn和CoGe表面。由于四種結(jié)構(gòu)的模型類(lèi)似，故我們?cè)趫D2中僅畫(huà)出Ge表面作為一個(gè)代表。值得說(shuō)明的是:對(duì)Ge和Co這兩種表面結(jié)構(gòu)，我們均是取25層原子并對(duì)稱(chēng)性的加12A的真空構(gòu)成，而對(duì)CoMn和CoGe這兩種表面結(jié)構(gòu)，我們均取23層原子并對(duì)稱(chēng)性的加12A的真空構(gòu)成。在計(jì)算性質(zhì)前，我們首先對(duì)這四種表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化:允許外面前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(huà)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表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，CoMn表面也表現(xiàn)出近半金屬屬性;然而，對(duì)于另外兩種表面Mn和CoGe表面，由于表面態(tài)的存在，塊材中的半金屬屬性被破壞了。由此可見(jiàn)，通過(guò)我們對(duì)四種表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和對(duì)其態(tài)密度的分析，Ge和CoMn兩個(gè)表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。
[0014]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(shū)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于Co2MnGe表面半金屬性的制備工藝，其特征在于，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)aeq; 第二步:在平衡晶格常數(shù)am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:構(gòu)建Co2MnGe〈lll>方向四種表面結(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，允許外面前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)化后的表面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度并加以分析，利用圖示法畫(huà)出表面結(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表面結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L29/66GK106098759SQ201610732683
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月27日
【發(fā)明人】韓紅培
【申請(qǐng)人】許昌學(xué)院