CoFeCrGa_(1-x)Al_(x)合金的电子结构、磁性和自旋零带隙半导体特性研究.pdf

《CoFeCrGa_(1-x)Al_(x)合金的电子结构、磁性和自旋零带隙半导体特性研究》 这篇研究论文深入探讨了CoFeCrGa_(1-x)Al_(x)合金的电子结构、磁性和其作为自旋零带隙半导体的特性。文章以第一性原理为基础，运用密度泛函理论（DFT）分析了Al掺杂对这种合金性能的影响。随着Al原子掺杂浓度的增加，合金的晶格常数呈现减小趋势，而总磁矩遵循Slater-Pauling规则。 研究发现，不论Al掺杂浓度如何变化，CoFeCrGa_(1-x)Al_(x)合金都表现出自旋零带隙半导体的特性。这意味着在自旋向上方向，价带顶部与导带底部在费米面接触，形成零带隙，而在自旋向下方向，费米面附近存在带隙。这种特殊的电子结构使得材料具有100%的自旋极化率，且无需跨越能量势垒即可激发电子从价带跃迁至导带，为自旋电子学应用提供了理想的基础。 论文指出，随着Al掺杂浓度的增加，自旋向下能带的费米面会从价带顶向导带方向移动，带隙宽度逐渐扩大。当x=0.75时，费米面位于带隙中间，此时的CoFeCrAl0.75 Ga0.25合金在系列合金中表现出最佳的半金属稳定性。此外，即使受到一定程度的四方形变，该合金仍能保持其自旋零带隙半导体特性，这为在自旋电子器件中的实际应用提供了可能。 自旋电子学作为一种新兴技术，利用电子自旋作为信息载体，有望实现数据存储、逻辑运算和量子计算的高效方式。相较于传统半导体，自旋电子器件具有非易失性、高速度、低功耗和高集成度等优势。自旋零带隙半导体的特殊性质，如100%自旋极化率、高载流子迁移率以及通过调控费米面来改变载流子浓度的能力，使其成为自旋注入、自旋探测器、自旋发光二极管等领域的理想材料。 然而，研究也注意到，如CoFeCrGa等合金的自旋向下能带带隙较窄，限制了它们在高温应用中的稳定性。因此，通过Al原子掺杂调节CoFeCrGa合金的能带结构，如CoFeCrAl0.75 Ga0.25，可以拓宽自旋向下能带的带隙，提升其在自旋电子器件中的潜在应用价值。 这项研究不仅深化了我们对CoFeCrGa_(1-x)Al_(x)合金的理解，也为自旋电子学领域提供了新的材料选择和设计思路，对于开发新型高性能自旋电子器件具有重要意义。同时，它还为探索其他可能的掺杂策略以优化自旋零带隙半导体的性能打开了新的研究方向。