具有磁性連續變化的高自旋極化率材料及其製備方法與流程

2023-10-09 14:31:04 5

本發明涉及一種具有高自旋極化率的材料，特別涉及一種具有磁性連續變化的高自旋極化率材料及其製備方法。

背景技術：

20世紀最偉大的成就就是微電子工業的崛起。迄今為止，不論集成電路或超大規模的集成電路中的半導體元器件，僅僅是利用電子具有電荷這一自由度，用電場控制載流子的運動，從而獲得特定的功能的。假如在半導體中進行輸運的載流子不是自旋無取向的，而是自旋極化的電子，那麼便可同時利用電子具有電荷又具有自旋這兩個自由度，這樣一來，不僅可利用電場，而且可利用磁場來控制載流子輸運。毫無疑問，自旋自由度的添加，將會導致其價值難以估量的新型電子學器件的誕生，由此發展出一門新的學科——自旋電子學。早在80年代，荷蘭nijmegen大學的degroot等人對三元合金nimnsb和ptmnsb等化合物進行計算時，發現了一種新型的能帶結構，並稱這類化合物為半金屬磁性體。半金屬材料具有特殊的能帶結構：一個自旋方向的能帶結構呈現金屬性，而另一個自旋方向能帶結構呈現絕緣體性質或半導體性質，所以半金屬材料是以兩種自旋電子的行為不同為特徵的新型功能材料。因此，半金屬材料研究的深入與突破將推動自旋電子學應用的巨大發展。半金屬材料在自旋閥、隧道結等磁電子器件中的應用將使巨磁電阻器件在質量和性能上邁上一新臺階。

然而，在實際應用中，由於結構、成分和電子結構相差比較大，半金屬材料與傳統的半導體結合時導致高自旋極化率被破壞。比如在隧道磁電阻tmr多層膜中，一般是[磁性體層/半導體層/磁性體層]多層膜結構，tmr的大小主要取決於半導體層兩側磁性層兩側磁性層材料的電子自旋極化率的高低，自旋極化率越高tmr越大。目前人們開發出來的最為適合作為這類磁性體層的材料是具有100％電子自旋極化的半金屬性材料，而到目前為止大多數半金屬性材料主要是氧化物、雙鈣鈦礦和heusler合金。而這些半金屬材料無論在成分上還是在晶格結構上與目前常用的半導體材料，如si，ge，gaas等，都存在很大的差異，這就給人們在實際器件製備中帶來了很大的困難。比如，由於晶格結構的巨大差異，這種結構不匹配給過渡層的界面帶來各種缺陷，導致半金屬材料的自旋極化率非常低，難以發揮材料的本身性能。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種具有磁性連續變化的高自旋極化率材料及其製備方法，具有高匹配度的半導體和高自旋極化率的磁性連續變化的材料，其自旋極化率高達百分之百，從而解決半金屬/半導體複合材料的失配問題，在實際應用中，可以根據對不同磁性的需求而選擇不同的x值。

本發明的具有磁性連續變化的高自旋極化率材料，該材料化學式為：cofe1-xti1+xal，其中0＜x＜1；

進一步，所述cofe1-xti1+xal的自旋極化率為100％，磁矩範圍是：0＜μb＜2.0；

進一步，所述cofe1-xti1+xal的原材料均為純度大於99.99％的單質金屬；

本發明的具有磁性連續變化的高自旋極化率材料的製備方法，包括以下步驟：

將cofe1-xti1+xal的原材料在惰性氣體保護和壓強為5×10-3pa以下熔煉，然後在惰性氣體保護下進行熱工藝處理後迅速冷卻處理。

進一步，熱處理的溫度為600～1200℃，保溫1～20天；

進一步，所述惰性氣體為高純氬氣；

進一步，所述熔煉的電流為50-200a；

進一步，將熔煉後的產品被封入石英管中進行熱處理，熱處理後快速淬火到冰水混合物中使其快速冷卻。

本發明的有益效果：本發明的具有磁性連續變化的高自旋極化率材料及其製備方法，具有高匹配度的半導體和高自旋極化率的磁性連續變化的材料，其自旋極化率高達百分之百，從而解決半金屬/半導體複合材料的失配問題，在實際應用中，可以根據對不同磁性的需求而選擇不同的x值，在製備該材料時，根據x的取值稱量原料。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

圖1是實施例1得到的cofe0.9ti1.1al合金的計算能態密度(dos)曲線。

圖2是實施例2得到的cofe0.7ti1.3al合金的計算能態密度(dos)曲線。

圖3是實施例4得到的cofe0.3ti1.7al合金的計算能態密度(dos)曲線。

具體實施方式

實施例一

材料化學式為cofe0.9ti1.1al的磁性合金；根據化學式中的個成分比稱量原料，原料的純度均是大於99.99％的單質金屬，將稱好的料盛放在電弧爐裡的坩堝中，關閉腔體。開啟設備前先打開循環水冷卻，確認水路暢通後打開設備電源。先使用機械泵將爐腔內真空抽至0.5pa以下，然後啟動分子泵繼續抽至5×10-3pa以下，然後關閉抽真空設備，再向爐腔內充入高純氬氣進行保護，開始熔煉至各原料熔為一體。熔煉過程中，根據不同材料，電流一般控制在50a之間。為使樣品熔煉均勻，每個樣品都要翻三遍，熔煉四遍。熔煉所得的樣品部分被封入石英管中，在高純氬氣保護下進行熱工藝處理。在600℃下保溫1天後，將樣品快速淬火到冰水混合物中。

計算獲得的自旋極化率為100％，磁矩為0.293μb。其計算所得能態密度曲線見圖1.測量其自旋極化率和飽和磁化強度，獲得數值見表1。

實施例二

材料化學式為cofe0.7ti1.3al的磁性合金；根據化學式中的個成分比稱量原料，原料的純度均是大於99.99％的單質金屬，將稱好的料盛放在電弧爐裡的坩堝中，關閉腔體。開啟設備前先打開循環水冷卻，確認水路暢通後打開設備電源。先使用機械泵將爐腔內真空抽至0.5pa以下，然後啟動分子泵繼續抽至5×10-3pa以下，然後關閉抽真空設備，再向爐腔內充入高純氬氣進行保護，開始熔煉至各原料熔為一體。熔煉過程中，根據不同材料，電流一般控制在200a之間。為使樣品熔煉均勻，每個樣品都要翻三遍，熔煉四遍。熔煉所得的樣品部分被封入石英管中，在高純氬氣保護下進行熱工藝處理。在1200℃下保溫20天後，將樣品快速淬火到冰水混合物中。

計算獲得的自旋極化率為100％，磁矩為0.600μb。其計算所得能態密度曲線見圖2。測量其自旋極化率和飽和磁化強度，獲得數值見表1。

實施例三

材料化學式為cofe0.5ti1.5al的磁性合金；根據化學式中的個成分比稱量原料，原料的純度均是大於99.99％的單質金屬，將稱好的料盛放在電弧爐裡的坩堝中，關閉腔體。開啟設備前先打開循環水冷卻，確認水路暢通後打開設備電源。先使用機械泵將爐腔內真空抽至0.4pa以下，然後啟動分子泵繼續抽至5×10-3pa以下，然後關閉抽真空設備，再向爐腔內充入高純氬氣進行保護，開始熔煉至各原料熔為一體。熔煉過程中，根據不同材料，電流一般控制在120a之間。為使樣品熔煉均勻，每個樣品都要翻三遍，熔煉四遍。熔煉所得的樣品部分被封入石英管中，在高純氬氣保護下進行熱工藝處理。在800℃下保溫15天後，將樣品快速淬火到冰水混合物中。

計算獲得的自旋極化率為100％，磁矩為1.000μb。測量其自旋極化率和飽和磁化強度，獲得數值見表1。

實施例四

材料化學式為cofe0.3ti1.7al的磁性合金；根據化學式中的個成分比稱量原料，原料的純度均是大於99.99％的單質金屬，將稱好的料盛放在電弧爐裡的坩堝中，關閉腔體。開啟設備前先打開循環水冷卻，確認水路暢通後打開設備電源。先使用機械泵將爐腔內真空抽至0.5pa以下，然後啟動分子泵繼續抽至5×10-3pa以下，然後關閉抽真空設備，再向爐腔內充入高純氬氣進行保護，開始熔煉至各原料熔為一體。熔煉過程中，根據不同材料，電流一般控制在100a之間。為使樣品熔煉均勻，每個樣品都要翻三遍，熔煉四遍。熔煉所得的樣品部分被封入石英管中，在高純氬氣保護下進行熱工藝處理。在700℃下保溫5天後，將樣品快速淬火到冰水混合物中。

計算獲得的自旋極化率為100％，磁矩為1.400μb。其計算所得能態密度曲線見圖3。測量其自旋極化率和飽和磁化強度，獲得數值見表1。

實施例五

材料化學式為cofe0.1ti1.9al的磁性合金；根據化學式中的個成分比稱量原料，原料的純度均是大於99.99％的單質金屬，將稱好的料盛放在電弧爐裡的坩堝中，關閉腔體。開啟設備前先打開循環水冷卻，確認水路暢通後打開設備電源。先使用機械泵將爐腔內真空抽至0.5pa以下，然後啟動分子泵繼續抽至5×10-3pa以下，然後關閉抽真空設備，再向爐腔內充入高純氬氣進行保護，開始熔煉至各原料熔為一體。熔煉過程中，根據不同材料，電流一般控制在180a之間。為使樣品熔煉均勻，每個樣品都要翻三遍，熔煉四遍。熔煉所得的樣品部分被封入石英管中，在高純氬氣保護下進行熱工藝處理。在1100℃下保溫18天後，將樣品快速淬火到冰水混合物中。

計算獲得的自旋極化率為100％，磁矩為1.797μb。測量其自旋極化率和飽和磁化強度，獲得數值見表1。

表1

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。