[发明专利]一种具有受晶格对称性保护零能隙的自旋零能隙半导体材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有受晶格对称性保护零能隙的自旋零能隙半导体材料及制备方法；材料结构为dsupgt;0/supgt;‑d型half‑Heusler的KCrZ合金；其中Z＝S、Se或Te。具有100％的自旋极化率和5μsubgt;B/subgt;的整数分子磁矩。采用球磨结合退火、淬火的热处理工艺制备出了KCrZ；方法简单易实现，克服了当前同类材料制备多采用磁控溅射、电弧炉熔炼等方法成本较高的缺陷，制备的KCrZ系列合金物相稳定，具有半Heusler结构，同时其拥有的零能隙特性稳定，不易受外界环境因素影响进而破坏其自旋零能隙半导体特性，是理想的具有稳定零能隙的自旋零能隙半导体材料。

技术领域

本发明的涉及材料技术领域，是一种应用于新型自旋电子学器件的关键材料，具体的说是一种具有受晶格对称性保护零能隙的自旋零能隙半导体材料及制备方法。

背景技术

近年来，磁性隧道结在具有低功耗，高运算速度的多功能自旋电子学器件中的应用，这引起了越来越多研究者的关注。因为自旋电子学器件的性能与材料的自旋极化率密切相关，所以有必要寻求高自旋极化率的材料。到目前为止，陆续发现了具有100％自旋极化率的半金属(以下简称HM)材料，在自旋电子学器件的应用中受到极大关注。其中，Heusler合金与半Heusler合金作为HM材料，具有高的居里温度、容易制备等特点，引发了在Heusler合金中寻找高自旋极化材料的热情。

迄今为止，在Heusler家族中出现了一类特殊的自旋电子学材料——自旋零能隙半导体材料，其能带结构特点为在费米面处，在一个自旋方向，存在一个半导体或绝缘体带隙，费米面处于半导体带隙之中；而在另一自旋方向，费米面处存在一个零能隙，即导带和价带恰好切在费米能级上。这使得载流子完全自旋极化，并且载流子具有极高的迁移率，在自旋电子学器件中具有更大的优势。自旋零能隙半导体不仅具有半金属材料特有的100％的高自旋极化率，同时还结合了半导体材料的优势，具有广泛的应用前景，可以替代半金属材料成为理想的自旋注入和输运材料。但目前为止，该领域还面临以下问题：首先，自旋零能隙半导体零能隙的稳定性问题，是当前阻碍该材料推向实际应用的重要基本问题。当前实验和理论上已经发现的自旋零能隙半导体材料，其零能隙基本都是两组不同简并度下的能带(价带顶和导带底)在费米面处相切形成，这样产生的零能隙结构非常不稳定，实际制备过程中，很可能由于两组能带进一步交叠或打开，最终造成其零能隙消失，进而破坏其原有的自旋零能隙半导体特性；其次，由于制备工艺条件和环境状况，如温度升高等原因，还可能造成材料在制备过程中存在各种混乱占位缺陷和晶格畸变，导致自旋零能隙半导体材料零能隙结构受到破坏，进而破坏材料物理特性。以上所述两点非常不利于当前自旋零能隙半导体材料的制备和应用，导致虽然自旋零能隙半导体材料是当前新型自旋电子学器件应用领域的理想材料，如自旋注入等，但是实际制备和应用时却面临非常大的阻碍，因此选择具有稳定的零能隙结构的自旋零能隙半导体材料是非常必要和关键的。

发明内容

本发明所要解决的问题是：克服当前自旋零能隙半导体材料零能隙不稳定的问题，提供一种具有受晶格对称性保护的稳定零能隙的自旋零能隙半导体材料的理论设计模型和一种具体该类材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种具有受晶格对称性保护零能隙的自旋零能隙半导体材料；其特征是结构为d⁰-d型half-Heusler的KCrZ合金；其中Z＝S、Se或Te。

所述的半导体材料具有100％的自旋极化率和5μ_B的整数分子磁矩。

本发明的具有受晶格对称性保护零能隙的自旋零能隙半导体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将K粉、Cr粉和Z粉按摩尔比1：1：1混合于密封不锈钢或玛瑙球磨罐中，同时选取直径在5mm～12mm范围内的大、中、小三种不同规格的不锈钢球或玛瑙球按照1：2：2数量比放入不锈钢或玛瑙罐中，球料比为8～20：1；