BaC表面半金属性制备工艺的制作方法

本发明涉及BaC表面半金属性制备工艺。

背景技术：

近年来，向半导体注入高效的自旋极化电流，在自旋电子学器件领域引起了人们的极大兴趣。但对这种自旋极化注入的机理，人们至今也没有完全理解。一个主要的原因在于：在冗长的量子输运过程中，自旋注入源和半导体衬底之间产生了较大的阻抗失配。半金属铁磁体，由于在一个自旋方向上展示金属性另一个方向上表现出半导体或绝缘性，导致在费米面附近产生100%的自旋极化，故被人们看作是理想的自旋注入源。

如今，人们发现了许多种材料都具有上述的半金属铁磁性，按照其半金属性产生的原因不同，半金属材料可以分成两类。一类是含有3d/4d 过渡金属的半金属，我们称之为d 半金属铁磁体，其磁矩主要来自过渡金属的3d/4d 轨道。另一类半金属铁磁体即有机铁磁体，其磁矩主要来自过渡金属的3d 轨道，或轻元素C、N 的2p 轨道，前者为含顺磁中心的非纯有机铁磁体，仍属于d 半金属铁磁体的范畴，而后者为纯有机铁磁体，我们称之为sp 半金属铁磁体。

另外，大多数半金属铁磁体都是以薄膜或多层膜的形式应用到自旋电子学器件中去的，而且，即使在块材中具有半金属性，当这种半金属铁磁体制作成薄膜或多层膜时，在其表面或界面区域也不能保证此种半金属行为依然存在。因此，研究半金属铁磁体表面及其与常见半导体的界面结构、电磁特性及其稳定性对于自旋电子学器件的制备及应用是非常必要的。

因此，现有工艺方法落后，需要改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的BaC表面半金属性制备工艺.

本发明的技术方案如下：BaC表面半金属性制备工艺，包括以下步骤：

第一步：构建食盐型BaC的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数a_eq；

第二步：在平衡晶格常数a_eq下，对BaC的态密度进行计算并加以分析，确定块材的BaC具有良好的半金属性；

第三步：构建BaC<111>方向两种表面结构并进行优化，在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允许外面前5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；

第四步：计算优化后的表面结构的态密度并加以分析，利用图示法画出表面结构的态密度，并与块材态密度进行比较；

第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的表面结构。

附图说明

图1-a为食盐型BaC的晶体结构;

图1-b为块材结构的态密度，竖直虚线表示费米面；

图2-a 为C-term表面结构;

图2-b 为Ba-term表面结构；

图3为 C-term表面结构的态密度，阴影部分是块材结构中相应原子的态密度，竖直虚线表示费米面；

图4 为 Ba-term表面结构的态密度，阴影部分是块材结构中相应原子的态密度，竖直虚线表示费米面；

图5 为本发明工艺流程图。

具体实施方式

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。

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。

BaC表面半金属性制备工艺，包括以下步骤：

第一步：构建食盐型BaC的晶体结构，对其晶格结构进行优化，获得平衡晶格常数a_eq；

第二步：在平衡晶格常数a_eq下，对BaC的态密度进行计算并加以分析，确定块材的BaC具有良好的半金属性；

第三步：构建BaC<111>方向两种表面结构并进行优化，在优化的过程中，为了尽可能的接近实际，允许外面前5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定；

第四步：计算优化后的表面结构的态密度并加以分析，利用图示法画出表面结构的态密度，并与块材态密度进行比较；

第五步：通过分析和比较，获得具有半金属特性的表面结构。

基于第一性原理的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法的材料模拟软件WIEN2K，我们对BaC块材及其表面性质进行模拟计算。所采用的参数如下：采用GGA-PBE形式的交换关联泛函并且考虑相对论效应，Ba 和 C原子的muffin-tin半径均取为2.2 a.u.，与截断能有关的参数RmtKmax取为7.5，第一布里渊区积分对块材和表面结构分别设置12×12×12 和 12×12×1的 k点，自洽循环的收敛准则是10^-5 Ry/f.u.。

首先，如图1（a）所示，我们构建块材的BaC的食盐型结构并进行优化以便获得其平衡晶格常数，a₀=6.006 Å。基于此，我们采用优化的晶格常数a₀=6.006 Å计算其块材的电磁性质，其态密度如图1（b）所示，从图1（b）我们可以清晰的看到块材的BaC具有明显的半金属特性，即自旋向上的通道显示半导体特性，自旋向下的通道显示金属特性。

接下来，我们重点关注BaC表面的电磁性质。基于我们上述优化的块材结构，我们建立BaC <111>方向可能的两种表面结构，如图2（a）和（b）所示。图2（a）是以C原子为端面的表面结构，记为C-term，图2（b）是以Ba原子为端面的表面结构，记为Ba-term。值得说明的是：对这两种表面结构，均是取9层原子并加了15Å的真空构成。在计算性质前，我们首先对这两种表面进行结构优化：允许外面前5层的原子位置弛豫，其他原子位置固定。 结构优化后，我们计算此二种结构的电磁性质，其态密度图如图3和图4所示。同时，为了比较块材结构和表面结构电子性质的差别，也画出了相应块材的原子态密度。从图3和图4中，我们可以看到一个令人振奋的现象： C-term表面和Ba-term表面维持了块材中的半金属特性，即自旋向下的电子表现出金属特性而自旋向上的电子在费米面附近有一个能隙，表现出绝缘性。因此，C-term和Ba-term两个表面可以看做是很有前途的应用于自旋电子学器件的薄膜材料。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。