论文摘要
在自旋电子学器件中,高自旋极化率的载流子,尤其是100%自旋极化率的载流子,是一个提升器件性能的途径,为此,实现一个稳定的、易合成的具有100%自旋极化率的磁性材料是非常重要的。半金属材料（half-metal）的某一自旋方向的电子态是金属性质,而另一个自旋方向为半导体性,因此100%自旋极化率理论上可以在半金属材料中实现。铁磁半导体可以将100%自旋极化率与现代半导体技术合为一体,具有高居里温度的单晶铁磁半导体也是实现高性能自旋电子学器件的优良载体。我们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算探究了CrTe、CrO2在双轴应力下的晶体结构、电子性质和磁性,以及TcO2/TiO2异质结在外电场调控下的物理性质。通过双轴拉应力,我们在Ni As结构CrTe中实现了高达100%自旋极化率的载流子。这个应力导致体系在xy平面内拉伸以及在z方向收缩。当面内拉伸应变不太大时,CrTe的电子性质和磁性变化不大,但当面内应变达到4.8%时,体系实现了铁磁半金属态。考虑自旋轨道耦合作用后,CrTe在电子结构转变点的自旋极化率变成97.0%;随着面内应变增加到6.0%时,体系实现100%自旋极化率。这些结果让我们相信在这个稳定的和易合成的六方结构CrTe中,可以实现100%自旋极化率的铁磁性。我们发现当双轴压应力作用在金红石结构CrO2后,体系费米能级附近的电子态密度减小,并且当应变达到-5.6%时,CrO2会发生一个结构相变,变成正交结构,当应变达到-6.1%时,CrO2会发生电子结构相变,变成半导体相。我们深入分析后,发现这个四方对称性破缺的结构相变,是由于应力使Cr原子周围的氧八面体发生了形变和旋转,并且这个结构相变加强了晶体场劈裂效应,从而导致体系发生从半金属到半导体的相变。更重要的是,我们的总能计算表明CrO2的铁磁居里温度基本不受应变影响,仍然接近400 K。这个双轴应力可以通过外界压力或者将CrO2外延生长在合适的基底上来实现。我们构造了一个半导体异质结:金红石结构TiO2（001）基底上放置一个单胞层厚度的TcO2,然后利用外电场来调控体系的电子结构和磁性。我们的研究表明,当外电场小于0.3 V/nm时,这个异质结的基态是一个近似反铁磁的窄带半导体,当外电场达到0.3 V/nm时,体系的基态变成了具有100%自旋极化率的半金属亚铁磁体。我们进一步的分析表明,体系的磁化和费米能级附近的电子态主要来源于TcO2单胞层,其余部分来源于界面处的TiO2原子层,当原子层跨过界面后,体系的键长与键角很快收敛到与体相TiO2一样的值。这意味着我们的异质结体系是一个由TcO2单胞层和TiO2衬底调制的二维电子体系。以上这些结果对于探索在现代半导体技术的背景下实现可调控的100%自旋极化率的载流子具有重要的意义。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 肖湘波
导师: 刘邦贵
关键词: 自旋电子学,双轴应力,半金属,铁磁半导体,密度泛函理论
来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,无线电电子学
单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
分类号: TN304;O482.54
DOI: 10.27604/d.cnki.gwlys.2019.000022
总页数: 91
文件大小: 3955k