异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种基于Co2MnGe/GaAs异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺，第一步：构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构，对其晶格结构进行优化；第二步：在平衡晶格常数aeq下，对Co2MnGe的态密度进行计算并加以分析；第三步：构建Co2MnGe/GaAs<111>方向的异质结并进行优化；第四步：对优化后的异质结左右两端的材料分别重复一个周期，作为异质结的左右电极；第五步：在异质结的左右电极上施加偏压，计算Co2MnGe/GaAs异质结的量子自旋输运性质；第六步：通过对Co2MnGe/GaAs异质结输运性质的分析，获得输运过程中的自旋过滤和负微分电阻效应。

Process for preparing heterojunction spin filter and negative differential resistance effect

The invention provides a preparation process of Co2MnGe/GaAs heterojunction spin filtering and negative differential resistance based on the first step: the crystal structure of building full Heusler type L21 Co2MnGe, the lattice structure is optimized; the second step: in the equilibrium lattice constant AEQ, the density of states of Co2MnGe are calculated and analyzed; the third step: the construction of Co2MnGe/GaAs< 111> the direction of the heterojunction is optimized; the fourth step: on the heterojunction after optimization of the left and right ends of the materials were a period of repeated, as about the heterojunction electrode; the fifth step: the voltage applied to the heterojunction electrode around, calculation of quantum spin transport Co2MnGe/GaAs heterojunction nature; sixth step: through the analysis of the transport properties of Co2MnGe/GaAs heterostructures, obtain spin filtering and negative differential resistance in the process of transport.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于Co2MnGe/GaAs异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺。
技术介绍
向半导体注入高效的自旋极化电流，是自旋电子学需要解决的一个关键问题。对于这种自旋极化注入的机理，人们至今也没有完全理解。一个主要的原因在于：在冗长的量子输运过程中，自旋注入源和半导体衬底之间产生了较大的阻抗失配。半金属（HM: Half-metallic）磁体，由于在一个自旋方向上展示金属性另一个方向上表现出半导体或绝缘性，导致在费米面附近产生100%的自旋极化，被人们看作是理想的自旋注入源。如今，人们发现了许多材料都具有上述半金属性，比如：金红石型的CrO2,闪锌矿结构的过渡金属磷或硫属化合物，C1b结构XYZ型的半霍伊斯勒合金(half-Heusler alloy)或L21结构的X2YZ型全霍伊斯勒合金(full-Heusler alloy)，闪锌矿或岩盐结构的碱土金属氮化物和碳化物。特别地，具有零磁矩的半金属反铁磁材料，由于在量子输运过程中具有较低的漏磁和能耗，同样在自旋电子器件的设计和应用中被人们寄予厚望。在上述半金属磁体当中，Heusler合金拥有较高的居里温度，较高的磁矩，尤其是与常见的半导体之间具有良好的晶格匹配度，因此它在自旋电子学器件的实际应用中被看作是最有前景的自旋注入源之一。虽然Heusler合金已被发现一百多年，但对其的研究一直经久不衰，因为这类合金有非常丰富的物理性质，如超导、热电、半金属性和拓扑绝缘性等。另外，人们发现，除了常见的三元full-Heusler合金或half-Heusler合金外，二元或四元的Heusler合金也具有良好的半金属性。最近，Y. Du等人发现了一种独特材料---无能隙半金属磁体（Gapless HM）,此种材料一个自旋通道是金属性的，另一个自旋通道是无能隙的。他们理论上预言反霍伊斯勒合金Fe2CoSi表现出无能隙半金属特性，并且具有100%的自旋极化。同时，他们实验上测得此种合金的居里温度高达1038K。这种类似于自旋无能隙半导体的行为，预示着无能隙半金属材料同样也是设计和制备自旋电子器件的有力竞争者。对于上述自旋电子学材料薄膜的结构、电磁特性及其稳定性等问题，近年来引起了许多理论和实验工作者的广泛关注,在这方面，本课题组已经做了一些相关的工作并取得了一定的研究成果。此外，我们前面讲到，向半导体注入高效的自旋极化电流，是自旋电子学需要解决的一个关键问题。所以，仅研究上述材料薄膜的磁电特性及稳定性是远远不够的。要想获得高效的自旋极化电流，我们必须在上述研究结果的基础上，进一步研究此类异质结的自旋极化输运性质。即通过分析电流电压曲线，获得理想的自旋场效应，主要包括巨磁阻、隧道磁阻、自旋阀、整流效应以及负微分电阻效应等衡量自旋电子器件性能的主要参数。有关自旋相关输运性质的研究已成为人们近年来重点关注的热点问题之一，但大多数研究都集中在铁磁材料尤其是石墨烯的量子输运性质上，有关半金属材料的输运性质研究仍比较少。对于半金属向半导体注入极化电流，本课题组通过对CrAs/AlAs、ZnTe/CrTe和CrS/ZnSe等异质结输运性质的理论研究，获得了极好的二极管效应、良好的负微分电阻效应和很高的隧道磁阻效应，这再一次说明了半金属材料是设计和制备自旋电子器件的理想材料。因此，现有工艺方法落后，需要改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种新的基于Co2MnGe/GaAs异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺。本专利技术的技术方案如下：一种基于Co2MnGe/GaAs异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺，包括以下步骤：第一步：构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数aeq；第二步：在平衡晶格常数aeq下，对Co2MnGe的态密度进行计算并加以分析，确定块材的Co2MnGe具有良好的半金属性；第三步：在<111>方向，构建半金属Co2MnGe和半导体GaAs组成的异质结并进行优化，在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允许界面附近左右5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；第四步：对第三步中优化后的异质结左右两端的材料分别重复一个周期，作为异质结的左右电极；第五步：在异质结的左右电极上施加偏压，计算Co2MnGe/GaAs异质结的量子自旋输运性质；第六步：通过对Co2MnGe/GaAs异质结输运性质的分析，获得输运过程中的自旋过滤和负微分电阻效应。附图说明图1-a全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构；图1-b块材结构的态密度，竖直虚线表示费米面；图2 计算量子自旋输运性质的Co2MnGe/GaAs异质结模型；图3 Co2MnGe/GaAs异质结的自旋电流随偏压的变化关系；图4 本专利技术工艺流程图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本专利技术的较佳的实施例，但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。一种基于Co2MnGe/GaAs异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺，包括以下步骤：第一步：构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数aeq；第二步：在平衡晶格常数aeq下，对Co2MnGe的态密度进行计算并加以分析，确定块材的Co2MnGe具有良好的半金属性；第三步：在<111>方向，构建半金属Co2MnGe和半导体GaAs组成的异质结并进行优化，在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允许界面附近左右5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；第四步：对第三步中优化后的异质结左右两端的材料分别重复一个周期，作为异质结的左右电极；第五步：在异质结的左右电极上施加偏压，计算Co2MnGe/GaAs异质结的量子自旋输运性质；第六步：通过对Co2MnGe/GaAs异质结输运性质的分析，获得输运过程中的自旋过滤和负微分电阻效应。首先，如图1（a）所示，我们构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe晶体结构并进行优化获得其平衡晶格常数，a0=5.8037 Å。基于此，我们采用优化的晶格常数a0=5.8037 Å计算其块材的电磁性质，其态密度如图1（b）所示，从图1（b）我们可以清晰的看到块材的Co2MnGe具有明显的半金属特性，即自旋向上的通道穿过了费米面，显示金属特性，自旋向下的通道在费米面附近有一大约0.7eV的能隙，具有明显的半导体特性。接下来，我们重点关注Co2MnGe/GaAs异质结的量子自旋输运性质。基于我们上述优化的块材结构，我们建立Co2MnGe/GaAs <111>方向界面结构，如图2所示的中间散射层。它是以半金属Co2MnGe中的Ge原子和半导体GaAs中的As原子为界面层原子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：第一步：构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数aeq；第二步：在平衡晶格常数aeq下，对Co2MnGe的态密度进行计算并加以分析，确定块材的Co2MnGe具有良好的半金属性；第三步：在<111>方向，构建半金属Co2MnGe和半导体GaAs组成的异质结并进行优化，在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允许界面附近左右5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；第四步：对第三步中优化后的异质结左右两端的材料分别重复一个周期，作为异质结的左右电极；第五步：在异质结的左右电极上施加偏压，计算Co2MnGe/GaAs异质结的量子自旋输运性质；第六步：通过对Co2MnGe/GaAs异质结输运性质的分析，获得输运过程中的自旋过滤和负微分电阻效应。

【技术特征摘要】
1.一种异质结自旋过滤和负微分电阻效应的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：第一步：构建全霍伊斯勒L21型Co2MnGe的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数aeq；第二步：在平衡晶格常数aeq下，对Co2MnGe的态密度进行计算并加以分析，确定块材的Co2MnGe具有良好的半金属性；第三步：在<111>方向，构建半金属Co2MnGe和半导体GaAs组成的异质结...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩红培，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：河南;41