[科普中国]-自旋半金属材料

自旋半金属材料又称半金属材料。电子在一个自旋方向上呈现金属性，也即在费米能级处有电子态的存在；而在另一个自旋方向上呈现半导体性，也即在费米能级处存在禁带。他们将具有这种特殊能带结构的材料称为半金属（half-metal）材料。要与传统的半金属（导电电子浓度远低于正常金属的一类物质的统称）区分开来。

半金属材料简介1983年，荷兰Nijimegen大学的Groot1教授对half-Heusle合金NiMnSb进行能带计算后发现其具有一种特殊的新型能带结构，如图所示：电子在一个自旋方向上呈现金属性，也就是在费米能级处有电子态的存在；而在另一个自旋方向上呈现半导体性，也就是在费米能级处存在禁带。他们将具有这种特殊能带结构的材料称为半金属（half-metal）材料。这里所指的半金属并不是传统意义上的半金属（semi-metal，如As、Sb、Bi等），传统的半金属是导电电子浓度远低于正常金属的一类物质的统称，因其导电能力介于金属与绝缘体之间而称为半金属。其能带特点是导带与价带之间部分重叠，价带电子在无需热激发的情况下便会流入能量较低的导带底部。而半金属材料是电子结构同时具有金属性与半导体性的特征，这种微观上金属性与半导体性的共存被称为半金属性。

性质半金属材料具有特殊的能带结构，因此其具有一些特殊的性质：

1、它在费米能级处的电子极化率高达100% ；

2、它的总磁矩为波尔磁矩的整数倍；

3、一些半金属铁磁体还具有较高的居里温度。

这些特点使半金属材料非常适合在自旋电子器件中应用，尤其适合作为自旋注入源材料。2

分类1）以half-Heusler（半霍伊斯勒）和Heusler（全霍伊斯勒）合金为代表的三元金属化合物：NiMnSb、PtMnSb、FeMnSb等。Half-Heusler半金属铁磁体材料属于面心立方；Heusler半金属铁磁体具有 结构，也属于面心立方。这两种合金材料都具有较大的d电了交换劈裂，并引起d带电了倾向于费米面极化。正常Heusler合金具有Oh对称性，而Half-Heusler合金只具有Td对称性，这种对称性破缺的结果不仅导致时问反演对称性的破缺（存在于所有的铁磁材料中），而且引起空间对称性和连接对称性的破缺，导致较大的白旋劈裂。由于对称性的破缺，伴随有电了的键合和电了态的耦合及对点群对称性的修正，是产生半金属性的重要原因。

2）磁性金属氧化物： 和 等。金红石型 被广泛地用作磁记录材料。早在六七十年代，人们就对其磁学性质和光学性质做了十分详细的研究，但直到1986年，人们才发现的能带结构，并指出它也是一种半金属铁磁体，其它的一些能带计算工作又给出了同样的结论。美国霍布金斯大学、布朗大学和IBM公司联合研究组用CVD法制备出单晶膜，用点接触反射法测得该样品的极化率高达0.96和0.984。

3）双钙钛矿化合物： 、 。以 为例，这类半金属铁磁体的白旋向上的能态在费米面附近有一个能隙，而白旋向下的能态是金属性的，这与其它的半金属铁磁体刚好相反。

4）闪锌矿型过渡金属硫族化合物或磷族化合物：VTe，CrSe，CrTe，CrAs，MnBi，CrSb等。研究发现，这类半金属铁磁体的稳定态是NiAs相，闪锌矿相只是它们的亚稳态。三个过渡金属硫系化合物CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相是优质半金属铁磁体，不仅具有很宽的半金属能隙，相对于基态相的总能还不高，大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物的相对总能，同时，其结构稳定性明显优于己经较好地合成出来的CrAs闪锌矿结构薄膜（最大约5个单胞层厚）。很宽的半金属能隙意味着可能在较高温度下得到高自旋极化率，这已被德国Kübler教授的最新计算所证明：相对总能低并且结构稳定性好，使得足够厚度（约5至50个单胞层）的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构易于通过外延生长技术获得。这些优异特性使得这些材料将很可能在纳米尺度的自旋电子学器件中得到实际应用。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学