[發明專利]一種具有受晶格對稱性保護零能隙的自旋零能隙半導體材料及制備方法

有效

• 申請號: 201911381213.2
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111115588B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 王立英;王悅
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C01B19/00
• 分類號: C01B19/00;C01G37/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

本發明涉及一種具有受晶格對稱性保護零能隙的自旋零能隙半導體材料及制備方法；材料結構為dsupgt;0/supgt;?d型half?Heusler的KCrZ合金；其中Z＝S、Se或Te。具有100％的自旋極化率和5μsubgt;B/subgt;的整數分子磁矩。采用球磨結合退火、淬火的熱處理工藝制備出了KCrZ；方法簡單易實現，克服了當前同類材料制備多采用磁控濺射、電弧爐熔煉等方法成本較高的缺陷，制備的KCrZ系列合金物相穩定，具有半Heusler結構，同時其擁有的零能隙特性穩定，不易受外界環境因素影響進而破壞其自旋零能隙半導體特性，是理想的具有穩定零能隙的自旋零能隙半導體材料。

技術領域

本發明的涉及材料技術領域，是一種應用于新型自旋電子學器件的關鍵材料，具體的說是一種具有受晶格對稱性保護零能隙的自旋零能隙半導體材料及制備方法。

背景技術

近年來，磁性隧道結在具有低功耗，高運算速度的多功能自旋電子學器件中的應用，這引起了越來越多研究者的關注。因為自旋電子學器件的性能與材料的自旋極化率密切相關，所以有必要尋求高自旋極化率的材料。到目前為止，陸續發現了具有100％自旋極化率的半金屬(以下簡稱HM)材料，在自旋電子學器件的應用中受到極大關注。其中，Heusler合金與半Heusler合金作為HM材料，具有高的居里溫度、容易制備等特點，引發了在Heusler合金中尋找高自旋極化材料的熱情。

迄今為止，在Heusler家族中出現了一類特殊的自旋電子學材料——自旋零能隙半導體材料，其能帶結構特點為在費米面處，在一個自旋方向，存在一個半導體或絕緣體帶隙，費米面處于半導體帶隙之中；而在另一自旋方向，費米面處存在一個零能隙，即導帶和價帶恰好切在費米能級上。這使得載流子完全自旋極化，并且載流子具有極高的遷移率，在自旋電子學器件中具有更大的優勢。自旋零能隙半導體不僅具有半金屬材料特有的100％的高自旋極化率，同時還結合了半導體材料的優勢，具有廣泛的應用前景，可以替代半金屬材料成為理想的自旋注入和輸運材料。但目前為止，該領域還面臨以下問題：首先，自旋零能隙半導體零能隙的穩定性問題，是當前阻礙該材料推向實際應用的重要基本問題。當前實驗和理論上已經發現的自旋零能隙半導體材料，其零能隙基本都是兩組不同簡并度下的能帶(價帶頂和導帶底)在費米面處相切形成，這樣產生的零能隙結構非常不穩定，實際制備過程中，很可能由于兩組能帶進一步交疊或打開，最終造成其零能隙消失，進而破壞其原有的自旋零能隙半導體特性；其次，由于制備工藝條件和環境狀況，如溫度升高等原因，還可能造成材料在制備過程中存在各種混亂占位缺陷和晶格畸變，導致自旋零能隙半導體材料零能隙結構受到破壞，進而破壞材料物理特性。以上所述兩點非常不利于當前自旋零能隙半導體材料的制備和應用，導致雖然自旋零能隙半導體材料是當前新型自旋電子學器件應用領域的理想材料，如自旋注入等，但是實際制備和應用時卻面臨非常大的阻礙，因此選擇具有穩定的零能隙結構的自旋零能隙半導體材料是非常必要和關鍵的。

發明內容

本發明所要解決的問題是：克服當前自旋零能隙半導體材料零能隙不穩定的問題，提供一種具有受晶格對稱性保護的穩定零能隙的自旋零能隙半導體材料的理論設計模型和一種具體該類材料的制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種具有受晶格對稱性保護零能隙的自旋零能隙半導體材料；其特征是結構為d⁰-d型half-Heusler的KCrZ合金；其中Z＝S、Se或Te。

所述的半導體材料具有100％的自旋極化率和5μ_B的整數分子磁矩。

本發明的具有受晶格對稱性保護零能隙的自旋零能隙半導體材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將K粉、Cr粉和Z粉按摩爾比1：1：1混合于密封不銹鋼或瑪瑙球磨罐中，同時選取直徑在5mm～12mm范圍內的大、中、小三種不同規格的不銹鋼球或瑪瑙球按照1：2：2數量比放入不銹鋼或瑪瑙罐中，球料比為8～20：1；