自旋电子学材料课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自旋电子学材料的,计算模拟与设计,1988:,巨磁阻效应,(GMR),2007,年诺贝尔物理学奖,自旋电子学,The Nobel Prize in Physics 2007,Albert,Fert,Peter,Grnberg,传统电子学,:,电子的,电荷,自由度,自旋电子学,:,电子的,自旋,自由度,优势：运算速度更快,高集成度,低能耗等,自旋电子学,解决这些关键科学问题依赖于新型自旋材料设计！,自旋电子学中三个基本科学问题,:,怎样产生和注入自旋极化？,怎样在器件中实现自旋输运？,怎样有效的实现自旋操纵？,我们的工作,自旋产生与注入：,设计了实验上易于制备的室温半金属以及不含金属原子的半金属材料,自旋输运：,提出非对称反铁磁半导体的新概念，并在此基础上设计了室温磁性半导体材料,自旋操控：,通过提出双极磁性半导体的新概念，设计了一系列,BMS,材料可以实现电场对自旋极化的控制,自旋产生：半金属,Half Metal,半金属一个自旋通道为金属，另一个自旋通道为绝缘体，是一种理想的产生自旋极化的材料。,金属通道,绝缘体通道,E,F,半金属能隙,我们先前设计的工作,(I),J,ACS,(,2006,),128,2310,铁磁耦合的过渡金属苯环夹心化合物链,JACS,(,2008,),130,4224,不对称边界修饰的锯齿型石墨烯纳米条带,我们先前设计的工作,(,I,I),JACS,(,2012,),134,5718,基于,B,或,N,掺杂的三角形石墨烯片分子得到的孔状材料是稳定的半金属，对外加应力不敏感。,我们先前设计的工,(,II,I),理想半金属的三个基本条件,JACS,(,201,4),13,6,5,664,高于室温的铁磁居里温度,足够宽的半金属能隙,(0.5,eV,),，以有效阻止室温下的自旋热翻转跃迁,大的磁各向异性能，确保在室温下材料磁化的稳定性,室温半金属材料,掺杂的,La(Mn,0.5,Zn,0.5,)AsO,合金材料,基于,LaMnAsO,和,LaZnAsO,构建合金材料,材料具有“,1111,”型,LaFeAsO,超导的结构,基态是反铁磁半导体,电子掺杂、空穴掺杂形成半金属材料,居里温度,475 600 K,半金属能隙,0.74,eV,磁各向异性能比传统,Fe,Co,Ni,高一个数量级,(Ca,2+,/Sr,2+,La,3+,),掺杂,(H,/F,O,2,),掺杂,JACS,(2014)136,5664,Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature?,Such devices have been demonstrated at low temperatures but not yet in a range warm enough for,spintronics,applications.,自旋输运：室温磁性半导体？,磁性半导体材料研究得比较多的是稀磁半导体，但是在如何将其磁转变温度提高到室温方面目前仍面临巨大挑战。,室温磁性半导体的必备条件,磁有序温度高于或可比于室温,价带和导带具有高的自旋极化,研究现状及困境,铁磁半导体,:,EuS,CdCr,2,Se,4,La,2,NiMnO,6,净磁化,高自旋极化,居里温度通常远低于室温,反铁磁半导体,:,LaMnAsO,LiMnAs,CuMnAs,无净磁化,无自旋极化,奈尔温度通常比室温高,稀磁半导体,:,一种可能的方案,Zener,model prediction,Science,287,1019-1022(2000).,Zn,1-x,Co,x,O,室温铁磁行为,Appl.Phys.Lett.,79,988(2001).,Related reviews:,Nature Mater.,9,965-974(2010);,Chem.Soc.Rev.,39,528-539(2010);,Rev.Mod.Phys.,86,187-251(2014).,室温稀磁半导体的不足之处,室温磁性来源于纳米尺度的相分离,即二次相,室温磁性对生长条件和后续处理依赖性大,体系在微观上很复杂、可控性差、可重复性低,(,Zn,Co)O,二次相分离,Phys.Rev.B,88,085204(2013),是否存在其它简单的解决方法,?,是否有可能将铁磁半导体的高自旋极化特点和反铁磁半导体的高奈尔温度特点结合到一个半导体材料？,非对称反铁磁半导体的提出,:对铁磁半导体来说，每个单胞的自旋磁矩必须为整数个玻尔磁子，经过精心设计，这个整数可以为零（,即反铁磁耦合,）。同时，在价带导带保持铁磁半导体的高自旋极化特点。,非对称反铁磁半导体,基本设计思路,磁矩被设计成来源于两种不同的磁性离子（,或处于不同晶体场环境、或处于不同化合价态的同一元素离子,），各磁矩之间通过反铁磁形式耦合在一起。,由于磁性离子间强的反铁磁超交换作用，体系的奈尔温度,(T,N,),很容易超过室温。,由于不同磁性离子间的磁轨道能级失配，体系的价带和导带将是高度自旋极化的。,Phys.Rev.B,(2015)92,125202,非对称反铁磁半导体,HSC,BMS,非对称磁性离子间的反铁磁耦合提供了一种获得室温磁性的普适方案,双钙钛矿结构,通过选择双钙钛矿结构中的金属离子来调控室温磁性,Tc,300 K,Phys.Rev.B,(2015)92,125202,自旋调控：双极磁性半导体,自旋操控：电控制磁？,磁控制,VS,电控制,易于实现,难于小型化,与集成电路兼容性差,难于实现,易于小型化,与集成电路兼容性好,通过电场来控制自旋极化是下一代自旋电子学追求的一个重要目标,现有方法,(1),电场调制朗德,g,因子,Y.Kato,et al.,Science 299,1201(2003).,现有方法,(2),基于自旋轨道耦合的调控,K.C.Nowack,et al.,Science 318,1430(2007).,现有方法,(3),多铁体系的磁电耦合调控,S.W.Yang,et al.,Adv.Mater.26,7091(2014).,双极磁性半导体,(BMS),直接通过门电压调控自旋极化方向,V,G,0,Nanoscale,(2012)4,5680.,PCCP,(2013)15,15793.,基于,BMS,的自旋操控,(1),自旋极化开关,自旋极化振荡器,BMS,这一新型材料为自旋电子学中第三个科学问题提供了理想的解决方案！,基于,BMS,的自旋操控,(2),V,G1,V,G2,0 or,V,G1,V,G2,0 and V,G2,0 Off,V,G1,0 Off,场效应自旋阀,半氢化碳纳米管,(1D),对,B,、,N,掺杂不敏感,典型的,BMS,电子结构！,磁性的来源,p,z,轨道形成离域的,键,没有氢化的碳原子上未成对的,p,z,电子形成局域磁矩,模型器件与自旋输运,门压可控的自旋输运,Nanoscale,(2012)4,5680,半氢化SiC双层,(2D),典型 BMS！,PCCP,(2013)15,497,表层,N,掺杂,(,SiC),n,纳米薄层,n=8,n=8,APL,(2014)104,172403,N,Si,C,MnPSe,3,纳米片,(1),d,0,=3.22 (exp.3.27),d,Se,-Se,=3.9,剥离能,E,cl,=0.24 J/m,2,(,Graphite:0.36 J/m,2,),剥离强度,:1.2,GPa,剥离体相,MnPSe,3,的可行性,MnPSe,3,纳米片,(2),中性,空穴掺杂,电子掺杂,电子或空穴掺杂的,MnPSe,3,纳米片是自旋相反的两种铁磁半金属,JACS,(2014)136,5664,FeVTiSi,Heusler,合金,(3D),T,c,1200 K,1=1.26 eV,2=0.36 eV,3=0.27 eV,空穴掺杂,电子掺杂,JMCC,(2015)3,2563,FeVZrSi,合金,:,Zr,替代,Ti,1=1.25 eV,2=0.58 eV,3=0.84 eV,Phys.ChemChem.Phys.,(2013)15,497,Phys.Chem.Chem.Phys.,(2013)15,15793,J.Mater.Chem.C,(2013)1,7197,J.Am.Chem.Soc.,(2014)136,5664,Appl.Phys.Lett.,(2014)104,172403,J.Mater.Chem.C,(2015)3,2563,BMS,材料设计,本课题组：,其他课题组：,Appl.Phys.Lett,.(2013)102,143115,Carbon,(2014)69,142,Phys.Chem.Chem.Phys.,(2015)17,17957,J.Phys.Chem.C,(2015)119,10610,影响与评价,自旋电子学材料,自旋材料分类,我们提出的概念,自旋电子学材料发展的方向,I,提出新概念和新型自旋电子学材料,。,例如，,出于科学研究本身的兴趣以及自旋电子学器件的构造考虑，发展,具有,多,个,功能,或特性,的自旋电子学材料将成为一个重要方向。,II,寻找更多,可替代,的自旋电子学材料。,例如半金属、,双极磁性半导体,和,非对称反铁磁半导体,材料,等,。契机：,材料基因组计划,III,发展在室温环境下,可用,的自旋电子学材料。,对于半金属，需要具备高于室温的铁磁居里温度，较宽的半金属能隙，以及显著的磁各向异性；对于磁性半导体，需要具备室温磁有序以及高自旋极化。,IV,设计低维的自旋电子学材料用以构造纳米尺度的自旋电子学器件。,这是实现器件,尺寸,最小化的必然要求。,V,研究和调制磁性金属和磁性半导体界面的自旋电子性质和行为。,例如，如何在界面实现自旋的“欧姆接触”，使自旋通过界面后保持自旋极化率不变？此外，控制两个元件材料之间的磁相互作用对于器件集成也至关重要。,VI,探索反铁磁自旋电子学。,三大优势：反铁磁材料更易获得、反铁磁材料间磁作用干扰很弱、反铁磁材料磁化状态反转速度比铁磁材料更快。,Natl.Sci.Rev.,(2016),doi,:10.1093/nsr/nww026,致谢,谢谢！,