VAl半金屬表面制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種C02VA1半金屬表面制備工藝。
【背景技術】
[0002] 人們已經發現許多霍伊斯勒合金具有半金屬特性，即一個自旋通道是金屬性的而 另一個自旋通道是半導體性或絕緣性，從而展示100%的自旋極化。運種獨有的特性使得此 類霍伊斯勒合金材料成為了半導體最佳的自旋極化電子注入源。因此，近年來，研究霍伊斯 勒合金和半導體組成的異質結的電子結構及其性質引起了許多科研工作者的極大興趣。除 此之外，許多霍伊斯勒合金和常見半導體的晶格結構和晶格常數很容易匹配，故運些霍伊 斯勒合金在實驗上易于生長在常見半導體上。然而，不得不提的是:盡管運些霍伊斯勒型的 半金屬鐵磁體與一些常見的半導體有很好的晶格匹配度，但當他們形成異質結時，在異質 結的界面處，原來塊材中的半金屬性往往容易失去，即異質結的界面不在具有半金屬特性。 造成運種結果的原因也許是多方面的：像界面處原子的無序，氧化，缺陷造成的自旋散射， 甚至是固有的電子關聯效應。無論是何原因，運種半金屬性在異質結界面處退化的的現象 都可直接或間接地歸因于結構性因素。畢竟任何兩種不同材料間總是存在晶格失配的可 能，即使他們的晶格結構和晶格常數非常的接近。
[0003] 對于半金屬材料和半導體間界面自旋極化的問題，人們在理論和實驗上已經有所 研究。例如，Alcbarzadeh等人基于密度泛函理論研究了 C〇2MnSi/GaAs和C〇2FeSi/GaAs異質結 (001)方向的電磁性質，發現在理想的SiMn/As界面處CosMnSi塊材中的半金屬特性依然存 在，但C02化Si塊材中的運種半金屬特性在與半導體GaAs的界面處則完全消失了。一篇關于 C〇2CrAl/GaAs界面電子結構的研究報道:在C〇2CrAl/GaAs (110)方向上，電子的自旋極化率 往往會保持的相對較高，甚至在個別（110)界面結構上幾乎會達到100%。最近，化adov等人 利用霍伊斯勒材料C〇2MnA巧日CoMnVAl兩種合金結構和化學上的兼容性，通過第一性原理的 方法合理地設計出了高自旋極化的磁阻結，理論上證實在CosMnAl/CoMnVAl異質結的界面 處展示半金屬特性。實驗上，人們已在襯底娃(Si)上外延生長出全霍伊斯勒合金CosFeSi薄 膜;為了保證鐵磁性的穩定性，WMgO為緩沖層，全霍伊斯勒合金CosMnSi超薄膜生長在了鐵 (Fe)襯底上。通過軟X射線的磁圓二色性（soft x-ray magnetic circular dichroism， XMCD)，人們研究了全霍伊斯勒合金CosMnGe薄膜在富Co情況下Μη和Co原子的磁態。因此，從 自旋電子學器件的實際應用出發，研究半金屬材料和半導體異質結薄膜的電磁性質(尤其 是異質結界面處的自旋極化)是非常重要的。
[0004] 而對于全霍伊斯勒合金C02VA1，上述實驗報道只是發現了該合金材料具有鐵磁性 和較高的居里溫度，但并沒有證實其具有半金屬行為，并且，C02VA1的分子磁矩與壓力有一 定的依賴關系。另一方面，]^；[]16的等人在實驗上生長出了 C02VAI的薄膜結構并發現C02VAI 薄膜同樣具有很好的鐵磁性和較高的居里溫度。此外，也有一些理論研究報道了塊材 C02VA1的結構、電磁性質等。然而，對于全霍伊斯勒合金C02VA1薄膜或多層膜，至今未見理論 上的報道。為此，我們基于自旋極化的密度泛函理論首先對C02VA1的塊材結構進行研究，確 定其基態并研究其電磁性質；然后，研究C02VA1(111)方向上其表面的電子結構及半金屬 性。
[0005] 因此，現有工藝方法落后，需要改進。
【發明內容】
[0006] 本發明的技術方案如下:一種C02VAI半金屬表面制備工藝，包
[0007] 括W下步驟：
[000引第一步:構建塊材結構；
[0009] 根據實驗結果，構建C02VA1塊材結構的理論模型，通過鐵磁、反鐵磁和順磁Ξ種不 同狀態下計算C02VA1塊材的總能量與體積的變化關系，驗證該晶體的基態是具有半金屬特 性的鐵磁體；
[0010] 第二步:構建表面結構；
[0011] 構建了 C02VA1 (111)方向的四種表面結構，對此4種表面，我們分別取25、25、23和 23個原子層并且厚度為12 A的真空對稱性地加在薄膜的兩端W避免相鄰薄膜層的相互作 用；
[0012] 第Ξ步：對上述四種表面進行結構優化；在優化的過程中，為了盡可能的接近實 際，允許外面前5層的原子位置弛豫，其他原子位置固定；
[0013] 第四步：計算優化后的表面結構的態密度、磁矩等物理量;對態密度和磁矩的計 算，主要包括表面層、次表面層、中屯、層原子的總態密度和d電子的分態密度及磁矩；
[0014] 第五步:分析表面結構的態密度、磁矩、自旋極化及穩定性;對態密度分析，我們利 用圖示法，而對磁矩和自旋極化的分析，利用列表比較的工藝。
[0015] 第六步:通過對第五步中圖形和表格分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結構 穩定的半金屬表面薄膜。
【附圖說明】
[0016] 圖1 (a)C〇2VAl在鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)和順磁(醒)Ξ種不同狀態下總能量與體 積的變化關系；（b)C〇2VAl中Co和V原子d電子的分態密度；
[0017]圖2 C02VA1自旋極化的能帶結構（（a)自旋向上，（b)自旋向下）和總態密度（（c)自 旋向上，（d)自旋向下）；
[0018] 圖3 v-termination表面結構中表面、次表面和中屯、層原子總的態密度和d的分態 密度。陰影部分是塊材結構中相應原子的態密度。豎直虛線表示費米面；
[0019] 圖4 Al-termination表面結構中表面、次表面和中屯、層原子總的態密度和d的分 態密度。陰影部分是塊材結構中相應原子的態密度。豎直虛線表示費米面；
[0020] 圖5 Co-v-termination表面結構中表面、次表面和中屯、層原子總的態密度和d的 分態密度。陰影部分是塊材結構中相應原子的態密度。豎直虛線表示費米面；
[0021] 圖6 Co-A^termination表面結構中表面、次表面和中屯、層原子總的態密度和d的 分態密度。陰影部分是塊材結構中相應原子的態密度。豎直虛線表示費米面
[0022] 圖7本發明工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了便于理解本發明，下面結合附圖和具體實施例，對本發明進行更詳細的說明。 本說明書及其附圖中給出了本發明的較佳的實施例，但是，本發明可許多不同的形式 來實現，并不限于本說明書所描述的實施例。相反地，提供運些實施例的目的是使對本發明 的公開內容的理解更加透徹全面。
[0024] 需要說明的是，當某一元件固定于另一個元件，包括將該元件直接固定于該另一 個元件，或者將該元件通過至少一個居中的其它元件固定于該另一個元件。當一個元件連 接另一個元件，包括將該元件直接連接到該另一個元件，或者將該元件通過至少一個居中 的其它元件連接到該另一個元件。
[00巧]一種C02VA1半金屬表面制備工藝，包括W下步驟：
[00%]第一步:構建塊材結構；
[0027]根據實驗結果，構建C02VA1塊材結構的理論模型，通過鐵磁、反鐵磁和順磁Ξ種不 同狀態下計算C02VA1塊材的總能量與體積的變化關系，驗證該晶體的基態是具有半金屬特 性的鐵磁體；
[00%]第二步:構建表面結構；
[0029] 構建了 C02VA1 (111)方向的四種表面結構，對此4種表面，我們分別取25、25、23和 23個原子層并且厚度為12 A的真空對稱性地加在薄膜的兩端W避免相鄰薄膜層的相互作 用；
[0030] 第Ξ步：對上述四種表面進行結構優化；在優化的過程中，為了盡可能的接近實 際，允許外面前5層的原子位置弛豫，其他原子位置固定；
[0031] 第四步：計算優化后的表面結構的態密度、磁矩等物理量;對態密度和磁矩的計 算，主要包括表面層、次表面層、中屯、層原子的總態密度和d電子的分態密度及磁矩；
[0032] 第五步:分析表面結構的態密度、磁矩、自旋極化及穩定性;對態密度分析，我們利 用圖示法，而對磁矩和自旋極化的分析，利用列表比較的工藝。
[0033] 第六步:通過對第五步中圖形和表格分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結構 穩定的半金屬表面薄膜。
[0034] 利用材料模擬軟件WIEN2K (第一性原理的全勢線性綴加平面波方法，f U 11- potential linearized augmented plane-wave methocUFPLAPW)，來研究全霍伊斯勒合金 C02VA1塊材及（111)表面的電子結構及磁性。所選取的計算參數如下：Co, V和A1原子的 muff in-tin半徑分別取為2.2,2.2 and 2. la. U.，與截斷能有關的參數RmtKmax取為7.5，采用 GGA-P邸形式的交換關聯泛函并且考慮相對論效應，對塊材和表面結構第一布里淵區積分 分別設置為12 X 12 X 12和12 X 12 X 1的k點，自洽循環的收斂準則是1 (T5Ry^. U.。
[00對塊材性質
[0036]為了確定全霍伊斯勒合金L2i結構C02VA1的磁基態，我們首先在鐵磁、反鐵磁和順 磁Ξ種不同狀態下計算了C02VA1塊材的總能量與體積的變化關系，如圖1(a)所示。很顯然， 在同一體積下，鐵磁態在Ξ種狀態下具有最低的能量。也就是說，全霍伊斯勒合金L2i結構 C02VA1的磁基態是鐵磁性的。此外，從圖1(a)中，我們還可W得出C02VA1的平衡晶格常數ao 為5.766 A,和實驗值5.7巧8 A非常接近。每個c〇2VA1的分子總磁矩計算的結果為2.〇〇化， 符合Slater-Pauling規則，而磁矩的整數倍μΒ也是半金屬鐵磁體的一個特征，因此，全霍伊 斯勒合金L2i結構的C02VA1很有可能具有半金屬特性。
[0037]為了進一步研究C02VA1潛在的半金屬性，我們又計算了塊材C02VA1的自旋極化的 能帶結構和總態密度，見圖2。從圖2中，我們可W得出：L2i結構的塊材C02VA1合金確實展示 出了半金屬特性，自旋向上的能帶穿過了費米面而自旋向下的能帶在費米面附近有一個帶 隙。值