中國科大半金屬磁性材料的理論設計取得新進展

2020-11-26 中國科學院

　　近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院教授楊金龍研究組在尋找具有室溫半金屬磁性材料方面取得重要理論進展，使得製備可在常溫環境下工作的自旋電子器件成為可能。此成果發表在《美國化學會志》上。  

　　自旋電子器件基於電子自旋進行信息的傳遞、處理與存儲，具有目前傳統半導體電子器件無法比擬的優勢。其中，半金屬磁性材料由於可以提供完全自旋極化的載流子，被視為構建自旋電子器件的理想材料。為使自旋電子器件能在常溫下工作，半金屬磁性材料必須具有高於室溫的鐵磁居裡溫度、較寬的半金屬能隙，以及顯著的磁各向異性能，至今人們還沒有找到同時滿足這些條件的磁性材料。  

　　楊金龍研究組基於LaMnAsO和LaZnAsO兩種已經存在的物質，設計了一種新的層狀合金材料La(Mn0.5Zn0.5)AsO。這是一種與傳統「1111」型鐵基超導體同構的反鐵磁半導體材料。通過在該材料的[LaO]+層進行電子摻雜（H-/F-替換O2-），或者空穴摻雜（Ca2+/Sr2+替換La3+），可以誘導該材料從反鐵磁半導體轉變成鐵磁半金屬。理論預測新材料的居裡溫度可達 600 K（50% 濃度H摻雜）與475 K（25% 濃度Ca摻雜），半金屬能隙可達0.74eV。同時，該體系的準二維結構賦予材料極高的磁各向異性能，其理論預測值比目前已獲得的半金屬材料高一至兩個數量級。 

　　這一工作為製備具有室溫半金屬磁性材料指出了一個明確的方向，有望對自旋電子器件的研究與應用產生重要的影響。 

    上述研究得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委與量子科技前沿協同創新中心的支持。

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