【摘要】 作为一种特殊类型的半金属，半金属反铁磁体（HMAFM）也可以提供100%的自旋极化电子，同时没有表现出宏观磁化。

铁磁性金属铁磁性金属包括铁、钴、镍金属及其合金。它们是最古老的自旋电子学材料，用于构建自旋阀和磁性隧道结。这些材料丰富而便宜，而且可以很容易地处理。然而，由于它们的低自旋极化程度，它们只能提供部分自旋极化的载波（图1a）。半金属铁磁体由de Groot和Mueller[1]提出。它们的基本特征在于电子结构（图1b）：一个自旋通道具有金属导电性，而另一个自旋信道是绝缘或半导电的。因此，HMF可以提供单自旋通道电子，自旋极化达到100%。HMF可用于纯自旋产生和注入。为了开发具有HMF的实用自旋电子器件，除了高铁磁居里温度外，半金属间隙还应该足够宽，以有效地防止热搅拌的自旋翻转转变，并在室温下保持半金属性。此外，对于磁电应用，需要大的磁各向异性能量。

 

作为一种特殊类型的半金属，半金属反铁磁体（HMAFM）也可以提供100%的自旋极化电子，同时没有表现出宏观磁化。HMAFMs的基本思想是，对于化学计量成分的半金属，每单位晶胞的自旋磁化强度应该是以玻尔磁子为单位的整数，经过仔细设计，这个整数可以是零。由于零净磁化，HMAFM的半金属性在外部磁场下保持不变。此外，HMAFM不会以磁性方式干扰他人。因此，HMAFM在某些特殊情况下非常有用，例如制作自旋极化扫描隧道显微镜的尖端。值得注意的是，HMAFM尚未在实验中得到验证。

 

图1:各种电子材料的能带结构示意图：（a）铁磁性金属，（b）半金属，（c）TI，（d）HSC，（e）SGS和（f）BMS。

 

AAFM是最近Li[2]才提出的。这是一种获得具有室温磁化和大自旋极化的磁性半导体的通用方案。在AAFMS中，磁矩被设计为由不同的过渡金属离子携带，并通过反铁磁耦合相互抵消。强烈的反铁磁超交换相互作用导致了高的磁有序温度。同时，不同过渡金属之间的磁轨道能量失配导致了VB和CB态的高自旋极化。Liet等人认为双钙钛矿A2CrMO6（A=Ca，Sr，Ba；M=Ru，Os）是潜在的AAFMS，但需要进一步的实验验证。AAFMS的威力在于，通过调节晶体场分裂、自旋交换分裂和磁轨道能量位置的相互作用，可以获得各种类型的室温磁性半导体，如HSC、SGS和BMS。

 

例如，考虑具有t2g3eg0电子构型的八面体晶体场中的两个磁离子，其中第一个离子具有比晶体场分裂f小的自旋交换分裂s，而第二个离子与晶体场分裂相比具有大的自旋交换分离（图4）。假设两个磁性离子是反铁磁性耦合的，这符合Goodenough–Kanamori规则，当第一个离子的空自旋下降t2g轨道与第二个离子的占据自旋下降t2g轨道接触时，可以实现SGS（图4a）。相对地逐渐增加第一个离子的d轨道能量，材料从SGSto-HSC演变为BMS，再演变为SGS（图4b-d）。由于强烈的反铁磁超交换相互作用，所有材料都有望具有高的磁化温度。

 

图4 在八面体晶体场中，两个磁性离子M1和M2之间可能的d轨道能量失配。假设M1和M2离子具有t2g3eg0电子构型并且是反铁磁耦合[2]

 

[1] de Groot RA and Mueller FM. New class of materials: halfmetallic ferromagnets. Phys Rev Lett 1983; 50: 2024–7.

[2] Li XX, Wu XJ and Li ZY et al. Proposal of a general scheme to obtain roomtemperature spin polarization in asymmetric antiferromagnetic semiconductors. Phys Rev B 2015; 92: 125202.

 

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