稀土掺杂对Co基Heusler合金磁性和费米能级的调控

研究高自旋极化率(P)、低阻尼因子(a)的半金属材料是降低自旋转矩效应（STT）中临界电流密度的关键；而通过调制半金属的费米能级，通过降低P的温度依赖性从而降低隧道结中磁电阻效应的温度依赖性可极大提升以STT效应为基的自旋电子学器件的性能，因而是当前自旋电子学研究的前沿热点之一。本项目利用无轨道磁矩的稀土Gd掺杂半金属性Co2Fe1-xMnxSi(CFMS)Heusler合金,通过降低自旋-轨道耦合强度以获得低阻尼因子并实现费米能级的调制。利用x射线衍射、核探针技术、宏观磁性测量、铁磁共振、电子结构计算等分别研究结构、微观磁性、宏观磁性、阻尼因子、自旋极化率与能带结构等随稀土Gd的变化关系，得到高P、费米能级可调控、低a的CFMS材料和Gd掺杂影响Heusler合金半金属性的本质原因。通过本项目的研究为得到高P、低a以及可控费米能级的Co基半金属性Heulser 合金提供理论和实验依据。

研究新型的具有高自旋极化率和低阻尼因子的自旋电子学材料是本项目的研究目标，它对以自旋转矩效应为基的自旋电子学器件具有重要的科学意义和应用前景。而研究降低自旋转矩效应中的临界电流密度，从而降低自旋电子学器件的功耗是本项目要解决的关键科学问题。本项目围绕研究目标和要解决的关键科学问题主要研究了半金属性Co2FexMn1-xSi系统，Ti掺杂Heusler合金Co2MnSi和Gd掺杂FeCo的结构、磁性和阻尼因子之间的关系，还研究了铁电/铁磁异质结中磁化强度翻转的新机制，为新型的低功耗自旋电子学器件的制备打下了基础。取得如下研究结果：.1. 具有高度有序的L21结构Heusler合金是获得低阻尼因子的关键。.2. 非磁性元素的掺杂由于降低了交换耦合的强度从而使饱和磁化强度和居里温度随非磁性元素含量的增加而减小。.3. 由于稀土元素Gd的外层4f轨道磁矩为零，所以Gd掺杂确实可以降低铁磁系统的自旋轨道耦合强度，从而降低铁磁系统的本征阻尼因子。因此降低铁磁系统中自旋轨道耦合的强度可减小铁磁系统的本征阻尼因子，然而铁磁系统的各向异性常数也会随之减小，这会进一步降低以自旋转矩效应为基的自旋电子学器件的临界电流密度，为实现低功耗自旋电子学器件打下了基础。.4. 在铁磁/铁电异质结中实现了通过电压调控磁矩翻转的新形式，并通过各向异性磁电阻效应验证了低功耗电压写入存储信息的非挥发性磁存储单元，为新型低功耗自旋电子学器件的实现打下了基础。