Inverse-Heusler合金Ti_2NiAl/MgO(100)异质结的结构、磁性以及电子性质

本文通过第一原理计算,研究了Ti_2NiAl/MgO(100)异质结Ti Al-O、TiNi-Mg、TiNi-O和Ti AlMg这4种原子端面的界面结构、原子磁性、态密度和自旋极化.在平衡界面结构中,由于原子间相互作用力的存在,Ti-Mg (Ni-Mg)键的长度远大于Ti-O (Ni-O)键的长度.在所有端面中,原来块体出现的半金属间隙都遭受了界面态的不同程度破坏.在Ti_2Ni Al/MgO(100)异质结中,TiNi-O界面检测到具有最大76%左右自旋极化率,根据Julliere模型预测Ti_2NiAl/MgO(100)异质结在低温下的隧道磁电阻值(TMR)可以达到281%.     

Inverse-Heusler合金Ti_2NiAl/GaAs隧道异质结的自旋极化和电磁特性

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Hg_2CoTi型Inverse-Heusler合金Ti_2NiAl和GaAs异质界面上的原子相互作用、磁性、态密度和自旋极化.结果表明,在所研究的12种异质结构(包括顶位和桥位连接)中,界面态的存在不同程度地破坏了合金的半金属性,导致不超过75%的自旋极化率发生;仅当Heusler合金TiAl端面的Al原子或者TiNi端面的Ti原子位于As原子的顶位时,合金异质结可以保留着约72%的自旋极化率,根据Julliere模型,能最大实现68.9%的自旋电子迁移率,有望在隧穿磁阻中实际应用.     

基于二维材料的自旋-轨道矩研究进展

在具有自旋-轨道耦合效应的材料中,电荷流能够诱导产生垂直于电流方向的纯自旋流,当其注入近邻的磁性层时,会对其磁矩产生自旋-轨道矩.自旋-轨道矩能够快速、高效地翻转磁矩,为开发高性能的自旋电子器件提供了一种极佳的磁矩操控方式.二维材料由于具有很多的优点,如种类丰富、具有多样化的晶体结构和对称性、能够克服晶格失配形成高质量的异质结、具有强自旋-轨道耦合、电导率可调等,为研究自旋-轨道矩提供了独特的平台,因此引起了人们的广泛关注.本文涵盖了近年来与二维材料及其异质结构中自旋-轨道矩研究相关的最新进展,主要包括了基于非磁性二维材料(如MoS_2, WSe_2, WS_2, WTe_2, TaTe_2, MoTe_2,NbSe_2, PtTe_2, TaS_2等)和磁性二维材料(如Fe_3Ge Te_2, Cr_2Ge_2Te_6等)的异质结中自旋-轨道矩的产生、表征和对磁矩的操控等.最后指出了目前研究中尚未解决的问题与挑战.     

钙钛矿氧化物异质结自旋极化输运机制研究

文章介绍了一个基于弱Hund耦合规则以及载流子漂移扩散机制所提出的关于钙钛矿氧化物p-n异质结构的自旋极化输运机制的物理模型．该理论不仅可以很好地解释由具有负磁阻效应的La0.9Sr0．1MnO3（LSMO）与非磁性的SrNb0.01Ti0.99O3（SNTO）所组成的异质结中所存在的正磁电阻效应，同时揭示了该体系中LSMO在界面区域的载流子与远离界面区域的载流子具有不同的自旋极化方向．这一结果将为理解钙钛矿氧化物异质结及多层膜的自旋极化输运机制开辟了一条新的途径．     

影响磁性pn结自旋极化输运特性的因素

利用漂移扩散理论研究了磁性pn结中自旋的输运特性.探讨了外加电压、平衡自旋极化率、外加自旋注入和自旋寿命对磁性pn结电流密度和电阻的影响,讨论了磁性pn结自旋伏特效应与pn结宽度的关系.发现平衡自旋极化率使得不同自旋方向电子具有不同的势垒高度从而能有效调制电流;而外加自旋注入则为磁性pn结提供了非平衡自旋极化电子从而达到对电流的调制作用,同时发现自旋伏特电流随准中性p区宽度减小而增大. 关键词： 磁性pn结 自旋极化率 自旋寿命 自旋伏特效应     

铁磁-绝缘层-d波超导结中的Andreev反射特性

考虑到铁磁层中的磁交换作用和界面散射效应,利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk散射理论,计算铁磁-绝缘层-d波超导结中的准粒子输运系数与隧道谱.研究表明：铁磁层中的交换场能抑制Andreev反射,使得依赖于准粒子入射角的Andreev反射表现出瞬息波的行为,呈现一些新的隧道谱特征. 关键词： Andreev反射 d波超导 隧道谱     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

MgO单晶势垒磁性隧道结的第一性原理计算和实验研究

在MgO单晶势垒磁性隧道结中发现的室温高隧穿磁电阻现象,是近些年自旋电子学以及磁性隧道结磁电阻材料研究中的又一重大突破.本文主要评述和介绍2001年以来MgO单晶势垒磁性隧道结第一性原理计算和实验上的重要进展,以及介绍利用Layer-KKR第一性原理计算方法研究的Fe(001)/MgO/Fe、Fe(001)/FeO/MgO/Fe、Fe(001)/Mg/MgO/Fe、Fe(001)/Co/MgO/Co/Fe和Fe(001)[MgO/Fe/MgO/Fe等基于单晶MgO(001)单势垒及双势垒磁性隧道结材料的电子结构和自旋相关输运性质研究的最新进展.这些第一性原理定量计算的结果,不仅从物理上增强了对MgO单晶势垒磁性隧道结的电子结构和自旋相关输运特性的了解,而且对于研究新型室温磁电阻隧道结材料及其在自旋电子学器件中的广泛应用,具有一定的参考价值.     

MgO单晶势垒磁性隧道结的第一性原理计算和实验研究

在MgO单晶势垒磁性隧道结中发现的室温高隧穿磁电阻现象,是近些年自旋电子学以及磁性隧道结磁电阻材料研究中的又一重大突破。本文主要评述和介绍2001年以来MgO单晶势垒磁性隧道结第一性原理计算和实验上的重要进展,以及介绍利用Layer-KKR第一性原理计算方法研究的Fe(001)/MgO/Fe、Fe(001)/FeO/MgO/Fe、Fe(001)/Mg/MgO/Fe、Fe(001)/Co/MgO/Co/Fe和Fe(001)/MgO/Fe/MgO/Fe等基于单晶MgO(001)单势垒及双势垒磁性隧道结材料的电子结构和自旋相关输运性质研究的最新进展。这些第一性原理定量计算的结果,不仅从物理上增强了对MgO单晶势垒磁性隧道结的电子结构和自旋相关输运特性的了解,而且对于研究新型室温磁电阻隧道结材料及其在自旋电子学器件中的广泛应用,具有一定的参考价值。     

四元Heusler合金VFeScP/Ag(100)异质结的结构、磁性以及电子性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了四元Heusler合金VFeScP/Ag(100)异质结的ScP-Ag、VFe-Ag、FeFe-Ag、VV-Ag、ScSc-Ag和PP-Ag这6种原子端面的结构、原子磁性、态密度和自旋极化。结果表明,由于界面原子复杂的相互作用,界面原子层呈现不同程度不平整,从而可能加剧界面层的电子散射。与块体相比,界面原子的配位数变化引起的d电子局域性和磁直接交互的共同作用,导致了的界面原子复杂的磁行为。电子态密度研究发现,原来块体中的高自旋极化率已经被破坏。最大的自旋极化率出现在ScSc-Ag异质结构中,约为53%,预测在自旋阀中有一定的应用潜力。     

基于赫斯勒合金Co_2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应（英文）

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO_3薄层被夹在两个赫斯勒合金Co_2 MnSi电极之间)的自旋极化输运特性.理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应.磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10~6.电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co_2MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.     

自旋和电荷分别掺杂的新一类稀磁半导体研究进展

稀磁半导体兼具半导体材料和磁性材料的双重特性,是破解摩尔定律难题的方案之一.我们团队通过提出自旋和电荷分别掺杂的机制,研制发现了一类新型稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料自旋和电荷一体掺杂引起的材料制备瓶颈提供了有效解决方案.(Ba,K)(Zn,Mn)_2As_2(BZA)等新型稀磁半导体通过等价掺杂磁性离子引入自旋、异价非磁性离子掺杂引入电荷,实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文重点介绍1)几种代表性的自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体的发现与研制; 2)新型稀磁半导体的μ子自旋弛豫与高压物性结构的调控; 3)大尺寸单晶生长、基于单晶的安德烈夫异质结研制以及自旋极化率的测量.通过新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的"全链条"模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,展现了这类新型稀磁半导体材料潜在的光明前景.     

通过边缘修饰在非磁性石墨烯基单分子结中引入自旋的理论研究

在分子自旋电子学中,向非磁性的分子器件中注入自旋引起了广泛关注.在此提出一个新颖的策略,将磁性引入到与两个扶手椅形石墨烯纳米带电极耦合的单个苯分子器件中,即将这两个扶手椅形石墨烯纳米带电极的末端切割成锯齿形边缘的三角形石墨烯.利用第一性原理方法研究了分子结的自旋相关输运性质.结果表明,由于锯齿形边缘的三角形石墨烯向扶手椅形石墨烯纳米带电极和苯分子的自旋转移,导致锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性减弱.有趣的是,虽然锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性衰减了,但仍对分子结的自旋输运有显著的贡献.输运计算表明,在自旋平行构型下,可以获得较大的电流自旋极化率.然而,在自旋反平行构型下,电流的自旋极化率发生了反转.器件隧穿磁电阻的正负可以通过偏压来调控.这项工作提出了一个在新型分子自旋电子器件中设计和应用石墨烯纳米带的有趣方法.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

基于赫斯勒合金Co2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO₂薄层被夹在两个赫斯勒合金Co₂MnSi电极之间)的自旋极化输运特性. 理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应. 磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10⁶. 电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co₂MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.     

磁性半导体/磁性d波超导结中的自旋极化输运

通过求解磁性d波超导中的能隙与磁交换能的自恰方程,利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk 理论研究磁性半导体/磁性d波超导结中自旋极化准粒子输运系数与微分电导. 计算表明： 1) 磁性d波超导结中的磁交换能h₀可导致零偏压电导峰与能隙电导峰劈裂,劈裂的宽度为2h₀;2) 磁性半导体中的磁交换能h_FS可使零偏压电导峰劈裂的峰值变低. 而由能隙电导峰劈裂的两个子峰,当两种磁性材料的磁 关键词： 磁性半导体 磁性d波超导体 自旋极化输运     

硅团簇自旋电子器件的理论研究

利用过渡金属掺杂的硅基团簇, 构建了一种自旋分子结; 并利用第一性原理方法, 对其电子自旋极化输运性质进行了研究. 计算表明, 通过过渡金属掺杂可以有效地产生自旋极化电流, 磁性金属Fe和非磁性金属Cr和Mn掺杂的体系呈现出较明显的自旋极化透射现象, 但分子结的自旋极化输运能力与团簇孤立状态下的磁矩无一致性.从Sc到Ni的掺杂, 体系的自旋极化透射能力先增大后迅速减小, 在Fe掺杂的Si₁₂团簇中出现最大值. 关键词： 硅团簇 自旋极化输运 密度泛函理论 非平衡格林函数     

磁性隧道结电子输运特性的研究

在Slonczewsik自由电子理论模型下,研究了两铁磁性金属电极被一平面磁性势垒隔开的磁性隧道结零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对隧穿电导和隧穿磁阻的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,隧穿电导数值达到最大,两者平行时,其数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响.研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.     

磁性纳米电机单电子晶体管的自旋输运特性

文章作者在研究磁性隧道结的自旋输运中引入量子点的机械振动自由度,将单电子隧穿和振动自由度耦合所导致的shuttle输运理论应用到自旋电子学中,研究结果表明,shuttle输运对自旋极化输运有很大的影响,其独特的输运性质可以用来设计自旋电子器件,文章在理论上提出具有巨磁效应的自旋阀、高性能的半导体自旋注入器以及电流的整流器.