與重要半導(dǎo)體相容的高自旋極化率磁性材料被認為是未來納米尺度上的自旋電子器件的理想組件，但是這就要求當器件尺寸降到納米尺度時相應(yīng)材料仍然具有高自旋極化率和優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。在這方面，與III-V或II-VI半導(dǎo)體相容的半金屬(half-metallic)鐵磁體明顯優(yōu)于稀磁半導(dǎo)體，因為尺度降到納米量級后稀磁半導(dǎo)體內(nèi)磁性原子太少而導(dǎo)致性能下降，甚至消失。探索合適的半金屬鐵磁材料顯得至關(guān)重要。

    物理所劉邦貴研究員與牛津大學David G Pettifor教授合作，在這方面取得了顯著的進展。他們先期用準確的第一原理密度范函理論方法首先證明：閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003); cond-mat/0206485)，以及MnBi(Physical Review B 66, 184435 (2002))具有良好的半金屬鐵磁性，并且研究了相應(yīng)半金屬鐵磁性的形成機理。在此基礎(chǔ)上，他們基于準確系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和形變結(jié)構(gòu)計算進一步證明：三個過渡金屬硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的閃鋅礦結(jié)構(gòu)相是優(yōu)質(zhì)半金屬鐵磁體，不僅具有很寬的半金屬能隙(half-metallic gap)，相對于基態(tài)相的總能還不高，大大低于閃鋅礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬V族化合物(pnictides)的相對總能，同時，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于已經(jīng)較好地合成出來的CrAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜(最大約5個單胞層厚)。很寬的半金屬能隙意味著可能在較高溫度下得到高自旋極化率，這已被德國Kuebler教授的最新計算所證明；相對總能低并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使得足夠厚度(約5～50個單胞層)的薄膜材料或尺度足夠大的納米結(jié)構(gòu)易于通過外延生長技術(shù)獲得。這些優(yōu)異特性使得這些材料將很可能在納米尺度的自旋電子學器件中得到實際應(yīng)用。

    該項研究得到973“納米材料與納米結(jié)構(gòu)”項目(G1999064509)、基金委優(yōu)秀團隊項目(60021403)支持，這項研究成果發(fā)表在2003年7月15日出版的美國《物理評論快報》Physical Review Letters 91，037204 (2003)上。進一步的研究正在進行之中。