具有高自旋极化率的半金属磁性材料制造技术

本发明专利技术涉及一系列具有高自旋极化率的金属磁性材料，该系列材料具有化学式：Ｍｎ↓［ｘ］Ｃｏ↓［ｙ］Ｎ↓［ｚ］Ｍ↓［ｗ］，其中，Ｎ是Ⅲ－Ⅴ族元素，如：Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ等的一种或多种，Ｍ为过渡族元素，如：Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ等的一种或多种；２．２≥ｘ≥１．８，１．２≥ｙ＞０，１．２≥ｚ＞０，０．９９≥ｗ≥０，ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝４。所述的Ｍｎ↓［ｘ］Ｃｏ↓［ｙ］Ｎ↓［ｚ］Ｍ↓［ｗ］系列材料：自旋极化率最高的为１００％，是典型的半金属磁性材料，最低的自旋极化率是８０％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及高自旋极化率材料，特别是涉及具有自旋极化率接近百分之百的半金属磁性材料。
技术介绍
电子是电荷与自旋的统一载体，具有自旋属性的电子在传导过程中，当材料尺度和物理的特征长度相当时，能够表现出独特的物理效应，例如巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻、超大磁电阻效应和自旋转移等。在过去的100年中，以电场控制电子电荷的输运过程为基本原理的微电子学，已经全面地改变了人们的日常生活，那么，是否可以通过控制电子的另一属性一自旋，来实现对其输运行为的操纵，从而创造新的信息时代呢？在自旋电子学领域已经取得的诸多科研成果和工业应用事实表明，这样一种希望是非常现实的，而且将是21世纪信息科学等高科技领域一个有重大突破的关健所在。高自旋极化率材料的应用会极大促进计算机存储器方面的发展。巨磁电阻是自旋电子学的范例，它迅速从物理发现到材料制备，直至最后器件产业化自1988年发现这种新材料以来，计算机信息存储技术进入了GNR时代(IBM公司语)。例如，计算机硬盘在使用GMR读出头后，其记录密度提高近500倍。但这些自旋电子学功能器件都要求材料在Fermi能级附近分别具有自旋向上与自旋向下的电子数目不平衡，而且这种不平衡越严重越有利，也即要求材料的自旋极化率越高越好。电子自旋是与材料的磁性相关的。一个电子的自旋可以看作是一些具有极性的微小的磁体。电子的自旋可以自旋向上(↑)与自旋向下(↓)。利用材料中具有向上和向下电子数目的百分数可以描述自旋极化率P。例如Cu的自旋极化率为0，普通磁性材料的P约为40％。在上世纪八十年代，荷兰学者Groot等经过理论计算，发现了一种新型的磁性材料，他们称之为“半金属”。这种新材料独特之处在于它只有一种自旋方向是金属的，也就是说，所有表现出金属性质的电子都具有相同的自旋取向，而另一种相反的自旋取向则表现出绝缘或半导体性质。理论上，这种半金属材料可以具有100％的高自旋极化率。具有100％P的材料中所有电子具有相同的自旋取向，都向上或都向下，按照能带理论，这意味着这种材料中只存在一种自旋几率，也就是只具有一种自旋能带，而另一种自旋能带为空。而对于普通金属两种自旋能带是同时存在的，这也是这种材料被称为半金属的原因。因而，在通常的情况下能态密度成为半金属材料判断标准。对于Heusler型半金属，在T＝OK时，其自旋磁矩正好是整数倍的Bohr磁子。这是因为在这种材料中，总的自旋数目N＝N↑+N↓是整数；而在计入能隙区的情况下，每一种自旋取向，即N↑和N↓也都为整数；所以N↑-N↓也必然是一整数，此时如果忽略自旋—轨道耦合造成的附加磁矩，那么就会测量到一个整数或者非常接近整数的自旋磁矩。但需注意的是，利用这种以整数自旋磁矩作为半金属判据是必要的，但并不充分。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了寻找具有高自旋极化率的新型功能材料，特别是寻找新的具有自旋极化率高达百分之百的半金属磁性材料，从而提供一系列新的具有高自旋极化率的磁性材料。本专利技术提供具有高自旋极化率的半金属磁性材料，具有如下化学式MnxCoyNzMw，其中，N是III-V族元素，如Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等的一种或多种，M为过渡族元素，如V，Cr，Fe，Ni等的一种或多种；2.2≥x≥1.8，1.2≥y＞0，1.2≥z＞0，0.99≥w≥0，x+y+z+w＝4。所述的MnxCoyNzMw系列合金是一批具有高自旋极化率的合金磁性材料，该系列材料中最高的理论计算自旋极化率达到100％，是典型的半金属磁性材料，最低的自旋极化率为90％。其实验测量数据最高为97％，最低为80％。附图说明图1是Mn2CoAl合金的计算能态密度(DOS)曲线。图2是Mn2CoSb合金的计算能态密度(DOS)曲线。图3是Mn2Co0.9Fe0.1Ga合金的计算能态密度(DOS)曲线。具体实施例方式实施例1按照化学式Mn2CoAl称取Mn、Co和Al，然后将其混合后利用常规电弧熔炼的方法进行反复熔炼，使样品均匀。其制备条件为抽真空到1×10-1-1×10-6Pa后充入氩气，在0.01到1MPa正压力或者流动氩气的保护下进行电弧熔炼。材料化学式为Mn2CoAl的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例2按照化学式Mn2CoGa称取Mn、Co和Ga，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoGa的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例3按照化学式Mn2CoSi称取Mn、Co和Si，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoSi的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例4按照化学式Mn2CoIn称取Mn、Co和In，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoIn的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例5按照化学式Mn2CoGe称取Mn、Co和Ge，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoGe的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表2。实施例6按照化学式Mn2CoSn称取Mn、Co和Sn，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoSn的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例7按照化学式Mn2CoSb称取Mn、Co和Sb，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2CoSb的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例8按照化学式Mn2.2Co0.8Sb称取Mn、Co和Sb，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2.2Co0.8Sb的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图2。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例9按照化学式Mn2Co0.8Cr0.2Al称取Mn、Co、Cr和Al，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2Co0.8Cr0.2Al的磁性合金；计算获得的自旋极化率为100％，是典型的半金属材料。其计算所得能态密度曲线形状见图1。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例10按照化学式Mn2Co0.9Fe0.1Ga称取Mn、Co、Fe和Ga，制备工艺同实施例1。材料化学式为Mn2Co0.9Fe0.1Ga的磁性合金；计算获得的自旋极化率93％。其计算所得能态密度曲线形状见图3。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例11按照化学式Mn2Co0.5V0.5Al称取Mn、Co、V和Al，制备工艺同实施例1。材料化学式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高自旋极化率的金属磁性材料，其特征在于：具有如下组成：Ｍｎ↓［ｘ］Ｃｏ↓［ｙ］Ｎ↓［ｚ］Ｍ↓［ｗ］，其中，Ｎ是Ⅲ－Ⅴ族元素，如：Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ等的一种或多种，Ｍ是过渡族元素，如：Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ 等的一种或多种；　２．２≥ｘ≥１．８，１．２≥ｙ＞０，１．２≥ｚ＞０，０．９９≥ｗ≥０，ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝４。

【技术特征摘要】
1.一种具有高自旋极化率的金属磁性材料，其特征在于具有如下组成MnxCoyNzMw，其中，N是III-V族元素，如Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb等...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国栋，代学芳，柳祝红，朱志永，陈京兰，吴光恒，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]