【摘 要】
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近年来,自旋电子学器件及其材料是一个新兴研究领域,由于在磁储存器和自旋注入领域具有潜在应用价值,科研人员对自旋电子学材料的研究兴趣也日益增加。半金属材料便是一种潜在的自旋电子学材料。金属的自旋向上和向下的轨道都通过费米能级,两个方向都具有100%的自旋极化率;绝缘体的自旋向上和向下的轨道都没有通过费米能级,而且价带顶和导带底之间形成的带隙宽度大部分都超过一特定值。而半金属与以上两种材料存在很大区别
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近年来,自旋电子学器件及其材料是一个新兴研究领域,由于在磁储存器和自旋注入领域具有潜在应用价值,科研人员对自旋电子学材料的研究兴趣也日益增加。半金属材料便是一种潜在的自旋电子学材料。金属的自旋向上和向下的轨道都通过费米能级,两个方向都具有100%的自旋极化率;绝缘体的自旋向上和向下的轨道都没有通过费米能级,而且价带顶和导带底之间形成的带隙宽度大部分都超过一特定值。而半金属与以上两种材料存在很大区别,其中一个自旋方向的电子轨道通过费米能级表现金属特性,另一个自旋方向的轨道具有一定宽度的带隙可以表现为半导体性质,并且这种结构也具有100%的自旋极化率,相对于传统磁性合金材料,具有这类能带结构的材料被认为是一种新型磁性材料。本文研究表明,过渡金属（Ti）掺杂四元Heusler合金可形成一种新型的自旋无带隙的半金属材料;过渡金属（TM）掺杂Si基和Ge基合金也可以形成DMH结构的半金属材料,并对这两类材料的电学以及磁学性质进行了详细分析。主要结论如下:（1）用第一性原理计算分析了由Ti原子代替自旋无带隙半导体四元Heusler合金Ti2Co Si形成的新型自旋无带隙半金属材料的电学和磁学性质。结果表明,当1/4的Co原子被Ti原子取代时,可以得到一种新型的自旋无间隙半金属材料。并分析了硼（B）,铝（Al）,镓（Ga）,磷（P）,砷（As）和锑（Sb）替代Ti2.25Co0.75Si合金中的Si元素后材料的特性,结果表明Ti2.25Co0.75Si0.5B0.5,Ti2.25Co0.75Si0.5Al0.5和Ti2.25Co0.75Si0.5Ga0.5是半金属铁磁性材料,Ti2.25Co0.75Si0.5P0.5,Ti2.25Co0.75Si0.5As0.5,和Ti2.25Co0.75Si0.5Sb0.5是自旋无带隙的半导体材料。（2）研究了掺杂3d和4d过渡金属（TM）的基态Si原子的电子结构和磁性,其掺杂方法分别是间隙位和替代位。一些3d过渡金属V、Cr、Mn、Fe、Co和4d过渡金属Nb、Mo、Tc掺杂的半导体硅具有相对较强的磁性能,并且在费米表面附近具有100%的自旋极化率。其中Fe,Zr,Nb,Mo元素替代位掺杂硅形成的合金表现出半金属特性,其余金属掺杂形成的合金具有金属的性质。计算结果还表明,3d过渡金属掺杂（TM）的Si基化合物比4d过渡金属（TM）掺杂Si基的化合物更具有磁性。（3）研究了3d,4d过渡金属（TM）通过替代的方式掺杂基态Ge原子的电子结构和磁学性质。掺杂的过渡金属均有一定的磁性,通过掺杂获得的DMH由于电子自旋跃迁而具有一定磁性,其中过渡金属d轨道和相邻的硅原子p轨道在一定程度上杂化。最终两个自旋方向形成不同的电子密度,从而表现出具有一定磁性,最终得出3d过渡金属掺杂的Ge基合金的磁性大于4d过渡金属掺杂合金的磁性。
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