VGa/PbS界面半金属性制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种C〇2VGa/PbS界面半金属性制备工艺。
【背景技术】
[0002] 人们已经发现许多霍伊斯勒合金具有半金属特性，即一个自旋通道是金属性的而 另一个自旋通道是半导体性或绝缘性，从而展示100%的自旋极化。这种独有的特性使得此 类霍伊斯勒合金材料成为了半导体最佳的自旋极化电子注入源。因此，近年来，研宄霍伊斯 勒合金和半导体组成的异质结的电子结构及其性质引起了许多科研工作者的极大兴趣。除 此之外，许多霍伊斯勒合金和常见半导体的晶格结构和晶格常数很容易匹配，故这些霍伊 斯勒合金在实验上易于生长在常见半导体上。然而，不得不提的是：尽管这些霍伊斯勒型 的半金属铁磁体与一些常见的半导体有很好的晶格匹配度，但当他们形成异质结时，在异 质结的界面处，原来块材中的半金属性往往容易失去，即异质结的界面不在具有半金属特 性。造成这种结果的原因也许是多方面的：像界面处原子的无序，氧化，缺陷造成的自旋散 射，甚至是固有的电子关联效应。无论是何原因，这种半金属性在异质结界面处退化的的现 象都可直接或间接地归因于结构性因素。毕竟任何两种不同材料间总是存在晶格失配的可 能，即使他们的晶格结构和晶格常数非常的接近。
[0003] 对于半金属材料和半导体间界面自旋极化的问题，人们在和实验上已经有所研 宄。例如，Akbarzadeh等人基于密度泛函研宄了 Co2MnSi/GaAs和Co2FeSi/GaAs异质结 (001)方向的电磁性质，发现在理想的SiMn/As界面处Co2MnSi块材中的半金属特性依然 存在，但C〇2FeSi块材中的这种半金属特性在与半导体GaAs的界面处则完全消失了。一 篇关于Co2CrAl/GaAs界面电子结构的研宄报道：在Co2CrAl/GaAs (110)方向上，电子的自 旋极化率往往会保持的相对较高，甚至在个别（110)界面结构上几乎会达到100%。最近， Chadov等人利用霍伊斯勒材料C 〇2MnAl和CoMnVAl两种合金结构和化学上的兼容性，通过 第一,性原理的方法合理地设计出了高自旋极化的磁阻结，上证实在Co 2MnAl/CoMnVAl异质 结的界面处展示半金属特性。实验上，人们已在衬底硅（Si)上外延生长出全霍伊斯勒合金 Co 2FeSi薄膜；为了保证铁磁性的稳定性，以MgO为缓冲层，全霍伊斯勒合金Co2MnSi超薄膜 生长在了铁（Fe)衬底上。通过软X射线的磁圆二色性（soft x-ray magnetic circular dichroism，XMCD)，人们研宄了全霍伊斯勒合金Co2MnGe薄膜在富Co情况下Mn和Co原子 的磁态。因此，从自旋电子学器件的实际应用出发，研宄半金属材料和半导体异质结薄膜的 电磁性质(尤其是异质结界面处的自旋极化）是非常重要的。
[0004] C〇2VGa，作为一个全霍伊斯勒合金材料，最近在实验和上引起了人们的广泛关注。 人们发现：C 〇2VGa不仅具有半金属特性，而且其半金属隙也较大，另外还有较高的居里温 度。因此，全霍伊斯勒合金C〇2VGa非常适合制作成薄膜或多层膜来作为自旋电子学器件的 自旋极化电子注入源。，上已经研宄了 C〇2VGa (111)方向上所有可能的四个表面的结构、电 磁特性及其稳定性，并发现：以Co原子为端面的两个表面失去了块材中的半金属性，但是， 以Ga原子和V原子为端面的两个表面保持了块材中的这种半金属特性，并且，以Ga原子为 端面的表面是四个表面中最稳定的结构。在发明中，基于密度泛函来研宄全霍伊斯勒合金 Co2VGa和半导体组成异质结的界面性质。由于半导体PbS和半金属材料Co2VGa有相似的结 构和很好的晶格匹配度(这两种材料有共同的空间群，Co 2VGa的晶格常数5. 8033和PbS的 晶格常数5. 94之间的失配率只有2. 3%)，而且，的计算还显示全霍伊斯勒合金C〇2VGa在 半导体PbS的晶格常数5. 94A下仍然展示半金属特性。因此，选取半导体PbS与C〇2VGa组 成异质结以研宄其界面的电磁性质及半金属性。值得注意的是：由于在Co 2VGa (111)方向 上只有以Ga和V原子为端面的两个表面保持了块材中的这种半金属特性。因此，仅仅考虑 了 Co2VGa以Ga和V原子为端面的两个表面和半导体PbS以Pb和S原子为端面的两个表 面所组成的界面，在（111)方向上它们共组成四个界面结构的异质结。的计算结果将表明： 100%或近100%的自旋极化在Co 2VGa/PbS异质结的界面处仍然发生。
[0005] 因此，现有工艺方法落后，需要改进。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术方案如下：一种Co2VGa/PbS界面半金属性制备工艺，包括以下步 骤： 第一步：构建界面结构； 在（111)方向上，仅考虑Co2VGa以Ga和V原子为端面的两个表面，而半导体PbS也有 两个表面，他们分别是以Pb和S原子为端面的表面。因此，在（111)方向上共有四种可能 的界面结构。为方便起见，把这四种界面结构分别命名为：V-S，V-Pb，Ga-S和Ga-Pb。为 了模拟这四种界面结构并研宄其物性，对每种异质结在（111)方向上都构建了一个包含25 个原子层的C 〇2VGa和13个原子层的PbS的薄膜； 第二步：对上述四种界面进行结构优化。在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允 许C〇2VGa和PbS这两种材料中距离界面最近的5个原子层中的原子进行位置弛豫，其他原 子位置固定； 第三步：计算优化后的界面结构的态密度、磁矩、界面能等物理量；对态密度和磁矩的 计算，主要包括界面层、次界面层、中心层原子的总态密度和d电子的分态密度及磁矩；另 外，根据界面能的定义，分别计算出此四种界面的界面能大小并加以比较； 第四步：分析界面结构的态密度、磁矩、自旋极化及稳定性；对态密度及稳定性的分 析，利用图示法，而对磁矩和自旋极化的分析，利用列表比较的工艺； 第五步：通过对第四步中图形和表格分析和比较，获得具有100%自旋极化且结构稳定 的半金属界面薄膜。
[0007] 有益效果：利用第一性原理的全势线性缀加平面波（FPLAPW)方法，在对Co 2VGa/ PbS (111)方向界面性质进行了研宄。在所考虑的四种界面结构中，结构的优化和界面结 合能的计算都显示V-S界面结构是最有应用价值的一个结构。从给出的态密度图中，得到： V-S和V-Pb两种界面结构分别表现出了半金属和近半金属特性，而Co 2VGa块材中的半金属 特性在另外两个界面Ga_S和Ga_Pb中都被广生的界面态破坏了。值得注意的是：对于Ga_S 和Ga-Pb两种界面结构，尽管它们不具有半金属特性，但界面层原子仍然有较高的自旋极 化率，故它们同样也可以应用到自旋电子学器件当中去。另外，还发现：由于界面层原子配 位数的降低，与块材系统的原子磁矩比较，界面层V原子的磁矩增加了而次界面层Co原子 的磁矩降低了。本发明有助于实验上合成全霍伊斯勒合金C〇2VGa薄膜或多层膜，并为研宄 此类薄膜的电磁特性提供一个指导。
【附图说明】
[0008] 图1 V-S界面结构中界面层、次界面层原子的总态密度，阴影部分是块材系统中相 应原子的总态密度。竖直虚线表示费米面； 图2 V-Pb界面结构中界面层、次界面层原子的总态密度，阴影部分是块材系统中相应 原子的总态密度。竖直虚线表示费米面。
[0009] 图3 Ga-S界面结构中界面层、次界面层原子的总态密度，阴影部分是块材系统中 相应原子的总态密度。竖直虚线表示费米面； 图4 Ga-Pb界面结构中界面层、次界面层原子的总态密度，阴影部分是块材系统中相 应原子的总态密度。竖直虚线表示费米面； 图5是本发明工艺流程图。
【具体实施方式】
[0010] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。 本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式 来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明 的公开内容的理解更加透彻全面。
[0011] 需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一 个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连 接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中 的其它元件连接到该另一个元件。
[0012] -种Co2VGa/PbS界面半金属性制备工艺，包括以下步骤： 第一步：构建界面结构； 在（111)方向上，仅考虑Co2VGa以Ga和V原子为端面的两个表面，而半导体PbS也有 两个表面，他们分别是以Pb和S原子为端面的表面。因此，在（111)方向上共有四种可能 的界面结构。为方便起见，把这四种界面结构分别命名为：V-S，V-Pb，Ga-S和Ga-Pb。为 了模拟这四种界面结构并研宄其物性，对每种异质结在（111)方向上都构建了一个包含25 个原子层的C 〇2VGa和13个原子层的PbS的薄膜； 第二步：对上述四种界面进行结构优化。在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允 许C〇2VGa和PbS这两种材料中距离界面最近的5个原子层中的原子进行位置弛豫，其他原 子位置固定； 第三步：计算优化后的界面结构的态密度、磁矩、界面能等物理量；对态密度和磁矩的 计算，主要包括界面层、次界面层、中心层原子的总态密度和d电子的分态密度及磁矩；另 外，根据界面能的定义，分别计算出此四种界面的界面能大小并加以比较； 第四步：分析界面结构的态密度、磁矩、自旋极化及稳定性；对态密度及稳定性的分 析，利用图示法，而对磁矩和自旋极化的分析，利用列表比较的工艺。
[0013] 第五步：通过对第四步中图形和表格分析和比较，获得具有100%自旋极化且结构 稳定的半金属界面薄膜。
[0014] 在本章的计算中，所采用的参数如下：与截断能有关的参数取为7.5, Co， V，Ga，Pb 和 S 原子的 muffin-tin 半径分别取为 2. 2，2. 1，2. 0，2. 3 和 2. 3 a. u?，采 用GGA-PBE形式的交换关联泛函并且考虑相对论效应，对界面结构第一布里渊区积分设置 14X14X1的左点，自洽循环的收敛准则是1(T 5 Ry/f.u.;为了比较说明C〇2VGa和PbS块 材和界面结构中电磁性质的差异，还利用上述设置的参数对两种材料块材的性质进行了计 算，除了第一布里渊区积分设置为了 14X 14X 14的左点。
[0015] 界面结构及稳定性 已经提到，