一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺，包括以下步骤：第一步：构建闪锌矿型MnAs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MnAs的态密度进行计算并加以分析；第三步：构建MnAs/GaAs(001)方向四种界面结构并进行优化；第四步：计算优化后的界面结构的态密度并加以分析；第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的界面结构；采用上述方案，本发明专利技术构能将自旋电子器件的诸多优点发挥到最佳，具有很好的市场应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺
本专利技术涉及一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺。
技术介绍
众所周知，获得高自旋极化的电流是自旋电子器件(如自旋阀和自旋过滤)应用的一个关键因素。由于具有100％的自旋极化，半金属材料可看作从铁磁体向半导体进行自旋注入的理想注入源。因此，寻找和合成半金属材料，成为许多理论和实验工作者关注的问题。至今，许多种类的化合物已经被发现是半金属铁磁体，比如：金红石的CrO2、闪锌矿的过渡金属碳硫化合物、半或全霍伊斯勒合金以及岩盐结构的碳氮碱土金属化合物。在这些半金属铁磁体中，闪锌矿的碳氮化合物由于可比拟的晶格结构和居里温度，被看着是非常好的自旋注入材料。另外，值得注意到是，即使一种材料具有半金属性，也不能保证它做成表面或界面时仍具有半金属性。所以，研究材料表面和界面的半金属性，对于自旋电子器件的实际应用也是非常重要的。例如：Galanakis用第一性原理的方法发现，闪锌矿的CrAs在(001)方向，Cr端面维持了半金属性但As端面由于表面态的存在失去了半金属性。一些理论研究还报道了有关CrAs/GaAs界面电子结构及输运性质，并获得了一些有趣的结果。实验上，一些闪锌矿结构的碳氮化合物薄膜如CrAs,CrSb,MnAs,MnTe,CrTe和MnSb薄膜已经合成出来。闪锌矿的MnAs，作为一个半金属碳氮化合物，他的电子和输运性质在理论和实验上已经吸引了广泛的关注。用MBE的方法，几个研究小组研究了以GaAs为衬底生长MnAs薄膜的电磁性质。对于MnAs/GaAs异质结的输运性质，像自旋阀和巨磁阻效应等许多有价值的现象已经在实验上发现。在理论研究方面，Hirayama等报道了单分子层的电磁性质；Zhu等人研究了MnAs/InP(001)磁隧道结的电输运性质。总之，现有的资料显示，对于MnAs/GaAs薄膜，实验上的研究远远多于理论研究。尤其是，几乎没有关于MnAs表面和界面半金属性的理论报道。基于此，我们利用第一性原理的方法，来研究闪锌矿MnAs(001)方向界面的半金属性及其稳定性。我们的计算结果显示在一些表面和界面结构中都存在半金属特性，这对自旋电子器件的实际应用是非常有利的。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型的基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺。为实现上述目的，本专利技术所采用了下述的技术方案：一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺，包括以下步骤：第一步：构建闪锌矿型的MnAs块材结构，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MnAs的态密度进行计算并加以分析，确定块材的MnAs具有良好的半金属性；第三步：在(001)方向，构建半金属MnAs和半导体GaAs组成的四种界面结构并进行优化，在优化的过程中，界面左右5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；第四步：计算优化后的界面结构的态密度并加以分析，利用图示法画出界面结构的态密度，并与块材态密度进行比较；第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的界面结构。相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本专利技术构建新功能材料薄膜结构，以具有100％或较高自旋极化的半金属材料为基础，进行自旋相关输运性质改进，获得电子结构和输运性质两方面都优良的异质结，利用具有100％自旋极化的半金属作为极化电流注入源，能够获得100％的自旋极化电流，从而将自旋电子器件的诸多优点发挥到最佳，具有很好的市场应用价值。附图说明图1为本专利技术闪锌矿型MnAs块材结构的总态密度和分态密度；图2为本专利技术闪锌矿型MnAs和半导体GaAs在(111)方向界面结构模型；图3为本专利技术MnAs/GaAs(001)方向四种界面结构的总态密度；图4为本专利技术本专利技术工艺流程图；图5为本专利技术MnAs/GaAs(001)方向四种界面结构界面层间距和界面结合能。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。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，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本专利技术。一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺，包括以下步骤：第一步：构建闪锌矿型的MnAs块材结构，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MnAs的态密度进行计算并加以分析，确定块材的MnAs具有良好的半金属性；第三步：在(001)方向，构建半金属MnAs和半导体GaAs组成的四种界面结构并进行优化，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：计算优化后的界面结构的态密度并加以分析，利用图示法画出界面结构的态密度，并与块材态密度进行比较；第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的界面结构。基于第一性原理的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法的材料模拟软件WIEN2K，我们对闪锌矿结构的MnAs/GaAs(001)界面性质进行模拟计算。所采用的参数如下：与截断能有关的参数RmtKmax取为7.5，Mn,Ga和As原子的muffin-tin半径分别取2.3,2.2和2.0a.u.；采用GGA-PBE形式的交换关联泛函并且考虑相对论效应，对界面结构第一布里渊区积分设置12×12×1的k点，自洽循环的收敛准则是10-5Ry/f.u.；为了比较说明MnAs和GaAs块材和界面结构中电磁性质的差异，我们还利用上述设置的参数对两种材料块材的性质进行了计算，除了第一布里渊区积分设置为了12×12×12的k点。首先，我们研究闪锌矿MnAs块材的半金属特性。我们计算的平衡晶格常数和磁矩分别为和4.00μB，这和其他的研究结果一致，说明我们采用的计算参数是合理的。为证实闪锌矿MnAs块材的半金属特性，我们还计算了总态密度和分态密度，如图1所示。从图1我们清楚地看到闪锌矿的MnAs展示了近半金属行为，因为自旋向下通道的导带底正好与费米面相切。分态密度显示这种近半金属行为主要起源于Mn原子的d电子和As原子的p的自旋劈裂。基于实验上大多选择半导体GaAs作为衬底生长MnAs薄膜或多层膜，再加上GaAs和MnAs有相似的晶格结构和良好的晶格匹配度，我们也选择GaAs来研究MnAs(001)界面的电磁性质。对于GaAs/MnAs(001)界面,共有四个可能的界面结构，他们分别是As-Ga,Mn-As,As-As和Mn-Ga界面。考虑到高效的计算和实际模拟，我们用9层的MnAs和9层的GaAs来构建这些界面，如图2所示，一个As-Ga界面模型。同样，为了获得这些界面的平衡结构，我们允许界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：第一步：构建闪锌矿型的MnAs块材结构，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MnAs的态密度进行计算并加以分析，确定块材的MnAs具有良好的半金属性；第三步：在(001)方向，构建半金属MnAs和半导体GaAs组成的四种界面结构并进行优化，在优化的过程中，界面左右5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；第四步：计算优化后的界面结构的态密度并加以分析，利用图示法画出界面结构的态密度，并与块材态密度进行比较；第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的界面结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于MnAs/GaAs界面半金属性的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：第一步：构建闪锌矿型的MnAs块材结构，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MnAs的态密度进行计算并加以分析，确定块材的MnAs具有良好的半金属性；第三步：在(001...

【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