CoFeCrGa1-xAlx合金的电子结构、磁性和自旋零带隙半导体特性研究

方 旭，卢志红，李斯阳

(1.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081;2.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081)

自旋电子学是将电子自旋作为信息载体，利用自旋以实现数据存储、逻辑运算、量子计算等的一门新兴技术[1]。与传统半导体器件相比，基于电子自旋设计的器件具有非易失性、数据处理速率快、功耗低及集成密度高等优点[2]。为了实现对电子自旋的操控，需要材料具备高的自旋极化率，同时，其还需与现有半导体兼容[3]。自旋零带隙半导体(spin gapless semiconductor，SGS)理论上兼具100%自旋极化率与半导体特性，其在自旋向上方向价带顶部和导带底部于费米面处接触，为零带隙，自旋向下方向则在费米面处存在带隙。SGS可看作是零带隙半导体与半金属铁磁体的结合，具有如下优势[4]：①电子从价带激发到导带不需要克服能量势垒；②激发载流子的自旋极化率为100%；③载流子迁移率是传统半导体的2～4倍；④利用霍尔效应，可以实现极化的自旋载流子分离；⑤可通过施加栅极电压来控制费米面的移动，从而实现对载流子浓度的调控。自旋零带隙半导体对外部影响因素(如压力、电场、磁场、电磁辐射、杂质等)非常敏感，这使得该材料在自旋注入、自旋探测器、自旋发光二极管等领域具有广阔的应用前景。

自旋零带隙半导体最早是由Wang[5]在计算稀磁半导体PbPO2的能带时提出的，但稀磁半导体的居里温度较低[6]，很难在实际中得到应用。而Heusler合金由于具有高的居里温度和自旋极化率而广受关注，其中Mn2CoAl[7]、Ti2MnAl[8]、CoFeMnSi[9]等Heusler合金被实验证实是自旋零带隙半导体。……