得我們注意的是：圖2自旋向下的能帶中，有一條導帶看上去非常接近費米面，故塊材 C02VA1的半金屬隙是十分小的，只有0.04eV。運里，半金屬隙指導帶底和價帶頂分別到費米 面處距離中的最小值。為了更好的理解塊材C02VA1影響半金屬隙的來源，我們進一步在圖2 (b)中給出了Co原子和V原子d電子的分態密度。從圖2(b)中，我們清晰地看出，C02VA1小的 半金屬隙是由V原子的d電子決定的，而不像其他大多數Co基霍伊斯勒合金，半金屬隙的大 小主要依賴Co原子的d電子。
[003引表面性質
[0039] 表1 C02VA1(111)方向四種表面優化后表面層和次表面層之間距離的相對變化， 括號中是表面層/次表面層原子位置相對優化前的位移。單位是C02VA1平衡晶格常數ao = 5.766的百分比，負值表示收縮，正值表示膨脹。
[0040]
[0041] 對于L2i結構的全霍伊斯勒合金C02VA1，因為在（111)方向上每個原子層只包含一 個原子，因此C02VA1(111)薄膜共有四種可能的端面排列順序，他們是:V-Co-Al-Co …，A1- Co-V-Co...，Co-V-Co-Al...和Co-A^Co-V…，為方便描述，我們分別命名為:V-termination， Al-te;rmination，Co-V-te;rmination和Co-Al-te;rmination。為研究薄膜表面的性質，我們 采用優化的塊材C02VAI平衡晶格常數（?二5.766 A),對上述四種結構分別構建包含25， 25,23和23個原子層的薄膜。同時，為了消除相鄰薄膜間的相互作用，1完1的真空對稱性地 加在每個薄膜的兩端。下面的計算結果將說明我們選取的原子層數足夠模擬上述薄膜結 構，完全可W達到我們研究表面性質的要求。
[0042] 為了更好的模擬實驗上外延生長薄膜，我們允許薄膜最外面五層原子進行位置弛 豫，優化的結果列在了表1中。從1中可W看出：除了Co-Al-termination表面結構次表面層 中的A1原子向外(真空)稍稍移動了 0.1a〇%(a日=1766 Λ是塊材Co2VAl的晶格常數)外，所 有薄膜結構中表面層和次表面層原子W不同的幅度都向里（中屯、層)移動了。結果，所研究 的四種表面結構的表面層和次表面層間的距離發生了一些變化：41-161'111；[]1曰1:;[0]1有了 0.65a0 %的膨脹，V-，Co-V-和Co-Al-termination表面分別收縮了0.56日日％，2.15日日％和 4.70日日％。因此，A^L-termination和V-termination兩個表面結構的弛豫是較小的，而C〇-V- termination和〔〇-41-161'111；[]1曰1:;[0]1兩個表面結構的弛豫相對較大。運說明：八1- termination 和 V-terminat ion 兩個表面可會btkCo-V-terminat ion 和Co-Al-terminat ion 兩 個表面較穩定，更容易在實驗上合成。
[0043] 為了探究C02VA1上述四個（111)表面的電子結構，我們計算了他們表面層、次表面 層和中屯、層原子的總態密度和部分d電子的分態密度，如圖3-6所示。便于比較，塊材中相應 原子的態密度也呈在其中。首先，從圖3-6中，我們可W看到:所有表面結構中中屯、層原子的 態密度與相應塊材中原子的態密度吻合的非常好，運說明我們構建的薄膜模型是合理的， 能夠用來研究表面結構的性質。下面，我們來關注運四種表面的電子結構。對于V- termination和Al-termination兩個表面，見圖3和圖4，令人振奮的是：運兩種表面都保持 了塊材中的半金屬特性，只是自旋向下的電子費米面附近的能隙比塊材中減小了一些。同 時，一個有趣的現象是：由于自旋向下的導帶底向高能區移動，V-termination表面的半金 屬隙與塊材中的相比，沒有減小反而增加了 0.0 5 e V。然而，對于圖5和6中的C 0 - V - termination和Co-Al-termination兩個表面，塊材系統中的半金屬特性被能隙中產生的表 面態破壞了。表面態的產生可能是由于表面層原子的配位數降低，出現的表面效應造成的。 對Co-V-terminat i on表面來講，交換相互作用的提高使得自旋向下的電子向高能區移動， 從而在費米面附近出現了一些表面態。從圖5中，我們可W看到，運些表面態主要是Co的d電 子構成的。相反，由于表面對稱性破缺效應，圖6中的Co-A^termination表面中的表面態主 要是由原子間成鍵和反成鍵劈裂的減小造成的：自旋向下的導帶（主要是Co的d電子）向低 能區移動，使得費米面穿過了運些能帶。另外，表面層的Co原子和次表面層的V原子的相互 雜化使表面態的最高峰恰好落在費米面處，造成了自旋向下的態密度高于自相向上的態密 度，有了負的自旋極化率。綜上所述，在Co-V-termination和Co-Al-termination兩個表面 中，主要是Co原子破壞了塊材系統中的半金屬特性。并且，出現的表面態是非局域的，W至 于擴展到了次表面層。
[0044] 為了進一步量化表面效應對表面電子結構的影響，我們也計算了C02VA1塊材系統 及上述四個（111)表面結構中表面、次表面和中屯、層原子的磁矩，見表2。我們發現:所有表 面結構中中屯、層原子的磁矩和塊材系統中相應原子的磁矩幾乎相等，運進一步說明我們建 立的薄膜結構是足夠厚的，完全可W用來研究表面性質。下面，我們來關注表面結構中原子 磁矩相對于塊材系統中相應原子的變化情況。總體來講，所有表面結構中，表面層過渡金屬 原子Co和V的磁矩是增大的而次表面層中原子的磁矩是降低的，除了Co-Al-termination表 面，其表面層的Co原子磁矩反常地減小。運些原子磁矩的變化可W從上節提到的表面對稱 性破缺效應來解釋:對于V-termination和Co-V-terminat ion兩個表面，由于表面層原子配 位數的降低，提高了原子間的交換相互作用，從而造成了表面層原子V和Co磁矩的增加。然 而，對于Co-Al-termination表面，由于對稱性破缺效應，消弱了原子間成鍵和反成鍵之間 的劈裂，最終使表面層的Co原子磁矩出乎尋常的降低了。
[0045] 表2全霍伊斯勒合金C02VA1塊材、表面層、次表面層和中屯、層原子的磁矩和 muff in-tin球內各個軌道的電子數及自旋極化率。
[0046]
Γ00471
[0048] 事實上，上節中四種表面的原子態密度的變化趨勢也可W用相應原子的磁矩變化 情況定量的來解釋。為此，我們在表2中也列出了全霍伊斯勒合金C02VA1塊材、表面層、次表 面層和中屯、層原子muffin-tin球內各個軌道的電子數。從運些軌道電子數中，我們發現:過 渡金屬原子Co和V自旋向上和自旋向下之間電子數的相互轉移是相應原子磁矩變化的根本 原因。運和我們上節給出的相應原子的自旋態密度的變化情況十分吻合。
[0049] 另外，費米面處100 %的自旋極化也是半金屬材料的一個特性，并且高自旋極化材 料更有利于應用到自旋電子學器件當中。為此，根據自旋極化率的定義:Ρ=(Ν?-Νυ/(Ν?+Ν 丄），（運里，Ν?和川分別是費米面處自旋向上和自旋向下的態密度數），我們進一步計算了各 個原子的自旋極化情況，并也在表2中列出。計算的結果顯示：V-termination和Α1- termination兩個表面結構中的原子都具有100%的自旋極化，而Co-V-terminat ion和Co- Al-te;rmination表面層中的原子不在是100%的自旋極化，分別是74%和-64%。值得說明 的是:運些原子的自旋極化情況和上節對相應態密度的分析完全一致。因此，擁有100%自 旋極化的V-termination和Al-termination兩個表面結構更有希望應用到自旋電子學器件 的設計和制備中。
[0050]需要說明的是，上述各技術特征繼續相互組合，形成未在上面列舉的各種實施例， 均視為本發明說明書記載的范圍；并且，對本領域普通技術人員來說，可W根據上述說明加 W改進或變換，而所有運些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種C〇2VAl半金屬表面制備工藝，其特征在于，包括以下步驟： 第一步:構建塊材結構； 根據實驗結果，構建C〇2VAl塊材結構的理論模型，通過鐵磁、反鐵磁和順磁三種不同狀 態下計算C〇2VAl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； 第二步:構建表面結構； 構建了C〇2VAl (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以避免相鄰薄膜層的相互作用； 第三步: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； 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、中心層原子的總態密度和d電子的分態密度及磁矩； 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； 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。
【專利摘要】本發明提供了一種Co2VAl半金屬表面制備工藝，包括以下步驟：第一步：構建塊材結構，驗證Co2VAl的基態是具有半金屬特性的鐵磁體；第二步：構建表面結構，分別取25、25、23和23個原子層并且厚度為12？的真空對稱性地加在薄膜的兩端以避免相鄰薄膜層的相互作用；第三步：對上述四種表面進行結構優化，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；第四步：計算優化后的表面結構的態密度、磁矩等物理量；第五步：分析表面結構的態密度、磁矩、自旋極化及穩定性；第六步：通過圖形和表格的分析和比較，獲得具有100%自旋極化且結構穩定的半金屬表面薄膜。
【IPC分類】H01L43/12
【公開號】CN105655483
【申請號】
【發明人】張元敏, 韓紅培, 王紅玲
【申請人】許昌學院
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年1月13日