一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料制造技术

本发明专利技术为一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料。该材料的化学式为：VxCoyNzMw，其中，N是III-V族元素；M为过渡族元素；2≥x＞1，2＞y≥0，z＝1，1≥w≥0，x+y+z+w＝4。该材料的制备方法为(1).按化学式VxCoyNzMw配比称料放入电弧坩埚内，其中，(2).将电弧炉抽真空到1×10-1-1×10-6Pa后，充入氩气，在0.01MPa到1MPa正压力或者流动氩气的保护下进行电弧熔炼2-3分钟，后冷却；重复熔炼3-5次，使合金材料分布均匀，最后得到产品。本发明专利技术的半金属磁性材料自旋极化率在90-100％之间，在实际测量上在80-96.2％之间，表现出了极高的材料自旋极化率。

【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，具体为一种具有高自旋极化率的半金属磁性 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i^rmi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(丨)与自旋向下(丨)。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SN = N +N丨是整数；而在计入能隙区的情况下，每一种自旋取向，即N丨和N丨也都为整数； 所以N丨-N丨也必然是一整数，此时如果忽略自旋一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提供一种具有高自旋极化率的新型功能材料，特别是一种新 的具有自旋极化率高达百分之百的半金属磁性材料，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，其实验测量数据最高为97%，最低为80%。本专利技术的技术方案为一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料，该材料的化学式为VxCoyNzMw,其中，N 是 III-V 族元素；M 为过渡族元素；2>x>l，2>y>0，z = l，l>w> 0,x+y+z+w = 4。所述的III-V族元素具体为Al、feu In、Si、Ge、Sn和釙中的一种或多种；所述的过渡族元素为V、Cr、Mn、Fe和Ni中的一种或多种；所述具有高自旋极化率的半金属磁性材料的制备方法，包括如下步骤(1).按化学SVxCoyNzMw配比称料放入电弧坩埚内，其中，N是III-V族元素中Al、fei、In、Si、Ge、Sn和釙中的一种或多种，M为过渡族元素 中 V、Cr、Mn、Fe 和 Ni 中的一种或多种；2 彡 χ > 1，2 > y 彡 0，ζ = 1，1 彡 w 彡 0，x+y+z+w =4 ；(2).将电弧炉抽真空到IX KT1-I X KT6Pa后，充入氩气，在0.0IMPa到IMPa正压 力或者流动氩气的保护下进行电弧熔炼2-3分钟，后冷却；重复熔炼3-5次，使合金材料分 布均勻，最后得到产品。本专利技术的有益效果为本专利技术涉及了开发出的一系列新的具有高自旋极化率的多元Heusler金属间化 合物。这类材料从结构上与目前广泛应用在电子器件上的半导体材料有很强的匹配性。这 类材料是自旋电子器件的关键性基础材料。在应用和操控自旋的器件中有着举足轻重的作 用。本申请开发的这类材料不仅在理论计算上而且在实际测量上都表现出了极高的材料自 旋极化率，而且这一类材料其构成元素之间的配比要求不严格。这就为人们在制备器件的 实际应用生产中提供了极大的方便，十分有利于应用推广。另外，由于体系成分变化对材料 自旋极化率影响不大，但是能使得材料的磁性在很宽的范围内变化。这就使得人们很容易 根据对磁性的要求来选择相应的材料成分。附图说明图1是实施例1得到的V2CoAl合金的计算能态密度(DOS)曲线。图2是实施例2得到的V2MnAl合金的计算能态密度(DOS)曲线。图3是实施例9得到的V2Mntl9C0a ^a合金的计算能态密度(DOS)曲线。具体实施例方式实施例1 材料化学式为V2CoAl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。本专利所用数据是采用电弧熔炼方法获得样品的测量结果，其制备过程包括如下 步骤1.按化学SV2CoAl 配比(x = 2，y= l，N = Al，w = 0)，三种元素摩尔比 V Co A=2:1: 1，据此计算出三种元素所需质量；使用电子天平称量，精确到O.OOOlg，将原料 混合放入电弧炉坩埚内；所用原料纯度大于99. 9% ；2.利用常规电弧熔炼的方法熔炼。将电弧炉抽真空到1 X 10-Γ1 X 后，充入 氩气，在IMI^a正压力下进行电弧熔炼2分钟，后冷却。如此重复熔炼4次，使合金材料分布 均勻，最后得到V2CoAl的磁性合金。其计算所得能态密度曲线形状见图1。材料的自旋极化率采用安德烈反射方法测 量，材料的饱和磁化强度使用超导量子振动样品磁强计测量，获得数值见表1。实施例2 材料化学式为V2MnAl的磁性合金(x = 2，y = 0，w = 1，N = Al，M = Mn)。三种 元素摩尔比V Mn Al = 2 1 1，电弧熔炼的压力为IMPa正压力下，时间为3分钟， 重复熔炼的次数为3次，其他制备与测量方式同实施例1。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3 材料化学式为VJeAl的磁性合金(x = 2，y = 0，w = 1，N = Al，M = Fe)。三种 元素摩尔比V Fe Al = 2 1 1，电弧熔炼流动氩气保护下，时间为2分钟，重复熔炼 的次数为4次，其他制备与测量方式同实施例1。计算获得的自旋极化率为100%，是典型 的半金属材料。测量其自旋极化率和饱和磁化强度，获得数值见表1。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种具有高自旋极化率的半金属磁性材料，其特征为该材料的化学式为：ＶｘＣｏｙＮｚＭｗ，其中，Ｎ是ＩＩＩ－Ｖ族元素；Ｍ为过渡族元素；２≥ｘ＞１，２＞ｙ≥０，ｚ＝１，１≥ｗ≥０，ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝４。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国栋，卢遵铭，代学芳，张小明，刘何燕，罗鸿志，孟凡斌，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：12