磁性掺杂的哈斯勒半导体类薄膜的制备和反常霍尔效应研究

Half Heusler compounds with 18 valence electrons are usually semiconducting. In theory some of them exhibit 100% spin polarization (half-metallicity) after magnetic doping, which are promising candidates for spintronics devices. In this research, magnetically doped semiconducting half Heusler films, such as CoTiSb (with band gap in the range of 0.82-0.95 eV), NiYBi (0.4-0.8 eV),PtYSb (0.1-0.2 eV) and PdLuBi (with certain inverted bands), will be studied through experiments and first-principles calculations in regard to their microstructures, doping conditions, magnetic properties, transport properties, and Anomalous Hall Effect as well. In detail the experiments will include fabrication of epitaxial films by magnetron sputtering, structure characterization by XRD and High-Resolution Transmission Electron Microscopy, band gap measurement by optic and electrical methods, magnetic property measurements, transport property measurements and Anomalous Hall Effect by Physical Property Measurement System etc. The influence of fabrication and doping conditions on structure order degree, transport properties, magnetic properties, metal-semiconductor transition, and spin polarization will be investigated. Moreover, the origin of Anomalous Hall Effect, the relationship between Anomalous Hall Effect and spin-orbit coupling will be explored in the magnetically doped films. The correlation between band gap and spin-orbit coupling will also be discussed in these films.

价电子总数为18的半哈斯勒化合物通常表现为半导体性。理论上对一些材料可以进行磁性掺杂，其将表现出100%自旋极化（即半金属性）等新性能，是潜在的自旋电子学材料。我们将对其中的CoTiSb（带隙0.82-0.95eV）、NiYBi（0.4-0.8eV）、PtYSb（0.1-0.2eV）和PdLuBi（某些能带反转）等薄膜进行磁性掺杂，结合实验和第一性原理计算研究其掺杂工艺、微结构、磁性、输运性质以及反常霍尔效应等等。具体包括如下内容：用磁控溅射法制备上述外延薄膜，用XRD和高分辨电镜等对薄膜结构进行表征，用光学和电学方法测量（未掺杂）薄膜的带隙，用物性综合测量系统测量薄膜磁性、电性、反常霍尔效应等。研究生长和掺杂工艺对薄膜有序度、输运性质、磁性以及自旋极化率的影响。此外，我们将探索磁性掺杂后薄膜中反常霍尔效应的成因及其与自旋轨道耦合之间的关联。探讨该体系中带隙和自旋轨道耦合之间的关联。

一些哈斯勒化合物表现为半导体性，其中一些材料可以进行磁性掺杂，将表现出100%自旋极化等新性能，是潜在的自旋电子学材料。我们对其中的CoTiSb（带隙0.82-0.95eV）、NiYBi（0.4-0.8eV）、PtYSb（0.1–0.2eV）和PdLuBi（某些能带反转）等薄膜进行磁性掺杂，结合实验和第一性原理计算研究其微结构、磁性以及反常霍尔效应等性质。具体包括如下内容：用超高真空磁控溅射法制备上述外延薄膜，用XRD和高分辨电镜等对薄膜结构进行表征，测量薄膜磁性、电性、反常霍尔效应及光学性质等。研究生长工艺与掺杂元素种类及含量对薄膜有序度、金属或者半导体属性、磁性以及自旋极化率的影响。研究掺杂对带隙、自旋轨道耦合强度、金属-半导体转变的影响机理。此外，探索薄膜中反常霍尔效应与自旋轨道耦合强度之间的关联。 .我们用磁控溅射方法制备出一系列磁性掺杂的哈斯勒化合物，其表现出一定的半导体行为。比如CoTiSb和其铁磁掺杂薄膜具有较大的电阻率。它们的电阻率可以达到普通金属材料的100倍，并且能够通过元素掺杂来调制，因此它们可以被用作电流垂直于膜面的巨磁电阻器件（CPP-GMR）中的磁电极材料。此外我们还研究了具有诸如高电阻、低饱和磁矩以及理论预言的自旋无带隙半导体Mn2CoAl外延薄膜，垂直磁各向异性和较小的饱和磁矩会导致更大的自旋转移力矩，因此我们的工作为诸如磁畴位移和电流诱导磁化翻转等研究课题提供了一种有用的基础材料；提出了一个崭新的物理效应，自旋轨道耦合的近邻效应，这一效应在条件满足的情况下可以大幅提升自旋电子学器件的性能；提出了一种利用反常霍尔效应来测非磁性材料自旋扩散长度的新方法；研究了最近争议较大的自旋霍尔磁电阻效应，提出了对该物理现象的不同解释。