與重要半導(dǎo)體相容的高自旋極化率磁性材料被認(rèn)為是未來(lái)納米尺度上的自旋電子器件的理想組件，但是這就要求當(dāng)器件尺寸降到納米尺度時(shí)相應(yīng)材料仍然具有高自旋極化率和優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。在這方面，與III-V或II-VI半導(dǎo)體相容的半金屬(half-metallic)鐵磁體明顯優(yōu)于稀磁半導(dǎo)體，因?yàn)槌叨冉档郊{米量級(jí)后稀磁半導(dǎo)體內(nèi)磁性原子太少而導(dǎo)致性能下降，甚至消失。探索合適的半金屬鐵磁材料顯得至關(guān)重要。

    物理所劉邦貴研究員與牛津大學(xué)David G Pettifor教授合作，在這方面取得了顯著的進(jìn)展。他們先期用準(zhǔn)確的第一原理密度范函理論方法首先證明：閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003); cond-mat/0206485)，以及MnBi(Physical Review B 66, 184435 (2002))具有良好的半金屬鐵磁性，并且研究了相應(yīng)半金屬鐵磁性的形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，他們基于準(zhǔn)確系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和形變結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)一步證明：三個(gè)過(guò)渡金屬硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的閃鋅礦結(jié)構(gòu)相是優(yōu)質(zhì)半金屬鐵磁體，不僅具有很寬的半金屬能隙(half-metallic gap)，相對(duì)于基態(tài)相的總能還不高，大大低于閃鋅礦結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬V族化合物(pnictides)的相對(duì)總能，同時(shí)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于已經(jīng)較好地合成出來(lái)的CrAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜(最大約5個(gè)單胞層厚)。很寬的半金屬能隙意味著可能在較高溫度下得到高自旋極化率，這已被德國(guó)Kuebler教授的最新計(jì)算所證明；相對(duì)總能低并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使得足夠厚度(約5～50個(gè)單胞層)的薄膜材料或尺度足夠大的納米結(jié)構(gòu)易于通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)獲得。這些優(yōu)異特性使得這些材料將很可能在納米尺度的自旋電子學(xué)器件中得到實(shí)際應(yīng)用。

    該項(xiàng)研究得到973“納米材料與納米結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目(G1999064509)、基金委優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(60021403)支持，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在2003年7月15日出版的美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》Physical Review Letters 91，037204 (2003)上。進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行之中。