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半导体自旋电子材料自旋相关性质全面正确的理解对于实现半导体自旋电子学的研究目的至关重要。具有室温铁磁性的MnAs与三元Heusler合金在结构上与半导体兼容性好,是两类极有希望的半导体中自旋极化载流子注入源材料。本文针对这两类材料体系,主要开展了GaAs衬底上完美外延的MnAs薄膜的一级磁结构相变、Co掺杂MnAs薄膜的磁热效应、原子无序对Heusler合金自旋极化度的影响以及自旋极化度的测量研究工作。主要内容如下:
(1)研究了各向异性应力对MnAs一级磁结构相转变温度的影响。与在GaAs(001)衬底上外延的MnAs薄膜相比,在GaAs(110)衬底上外延的MRAs薄膜的铁磁转变温度明显提高。对GaAs(110)衬底上外延的MnAs薄膜,面内以及面外的X射线衍射测量结果显示,GaAs(110)衬底上外延的MnAs六角面内的晶格常数比GaAs(001)衬底上的MnAs六角面内的晶格常数大,而垂直方向却变小。表面及断面磁力显微镜测量结果表明,对于我们研究的超薄MnAs薄膜,铁磁相与正交相混合在一起,没有明显地分开。
(2)研究了Co掺杂对GaAs衬底上外延的Mn1-xCoxAs薄膜磁热效应的影响。掺入微量的Co后,MnAs薄膜的磁热效应显著增强。超导量子干涉仪测量磁矩随温度的变化数据表明,随着Co含量的增加,铁磁转变温度逐渐减小。室温下的高分辨X射线衍射曲线显示,随Co含量的增加,铁磁六角相相对于顺磁正交相含量逐渐减少,从结构上印证了磁性测量结果。升温和降温测量得到的磁矩随温度的变化基本重合,说明制冷效率比较高。
(3)利用第一性原理KKR软件研究了Co2CrAl中Co-Cr和Cr-Al两种类型的无序对材料磁性和自旋极化度的影响,发现Cr-Al类型的无序对材料的影响不大,Co-Cr类型的无序会严重破坏材料的半金属性。计算了Co2Mn1+xAl1-x和Co2Mn1+xGe1-x的电子结构随x的变化,与传统观点认为无序会降低材料的自旋极化不同,这两种材料的自旋极化度随x的增加先增加后降低,为探索高自旋极化度材料提供了参考。
(4)利用Andreev反射方法初步测量了分子束外延的Co2FeAl的自旋极化度。由于测量所需要的铁磁/超导结构可以一次在分子束外延设备内生长完成,大大提高了铁磁超导结的界面质量,降低了截面散射强度,使测量结果更加准确。