● 摘要
近些年来，自旋电子学(Spintronics)，尤其是半导体自旋注入、磁致电阻等著名工作，已经成为了当今材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点领域并且引起了越来越多的关注。在众多物质结构中，半金属性铁磁体/半导体（或绝缘体）异质结构被认为是实现高效自旋注入的最理想结构。因此，研究半金属性铁磁体/半导体（或绝缘体）异质结构的相关性质对自旋电子学的发展是有意义的。本文通过使用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Co2MnSi/GaAs异质结构和Co2MnSi/Ge异质结构的一些相关性质进行了简要的研究。在广义梯度近似下，对理想Co2MnSi/GaAs异质结构和Co2MnSi/Ge异质结构而言，所有界面的形成过程都是放热的，表明这些界面均可以自发的形成。原子自旋极化计算表明，只有（001）CoSi-AsGa界面和（110）CoSi-AsGa界面保持了半金属性的特征——100%原子自旋极化。然而，稳定性相对较好的（001）SiCo-AsGa界面、（110）SiCo-AsGa界面以及（110）CoSi-GeGe界面也都保持了相对较高的自旋极化。对界面Si原子、Co原子以及Mn原子磁矩的计算结果显示，界面原子构型的改变没有影响原子间的磁序排列。另外，分析界面诱导带隙态时我们发现，界面诱导带隙态在半导体中的衰减长度 可能是与界面构型无关的。由于在Heusler合金Co2MnSi中可能出现两种反位置缺陷——Mn（Co）反位置缺陷和Co（Mn）反位置缺陷，因而在（001）Co2MnSi/GaAs异质结构中，我们进一步讨论了两种反位置缺陷单独存在于异质结构中的行为及其产生的影响。反位置缺陷形成能的计算结果表明，由于Co（Mn）反位置缺陷在（001）CoSi-AsGa界面上具有更小的形成能，所以这样的Co（Mn）反位置缺陷能够更容易地形成；除界面上位于闪锌矿——闪锌矿连接路径上的Co*原子位置之外，Mn（Co）反位置缺陷在其它任意一个Co原子位置上（包括界面）均能够较容易地形成。虽然在（001）CoSi-AsGa界面上形成的Co（Mn）反位置缺陷明显加强了界面的稳定性，但同时它也严重破坏了（001）CoSi-AsGa界面的半金属性从而影响了（001）异质结构的自旋相关输运。特殊地，当Mn（Co）反位置缺陷在（001）SiCo-AsGa界面上形成时，相应的（001）SiCo(Mn)-AsGa界面及Co2MnSi薄膜均保持了极高的自旋极化，并且此时界面的p-型Schottky势垒相比于理想SiCo-AsGa界面增加了大约0.1eV左右。这些结果意味着（001）SiCo(Mn)-AsGa界面能够更有效的实现p-型GaAs半导体的自旋注入，例如在弹道状态的（001）SiCo(Mn)-AsGa界面间进行自旋电子的注人或通过遂穿效应进行自旋电子的注人。值得一提的是，不仅这种在（001）SiCo-AsGa界面上形成的Mn（Co）反位置缺陷具有较小的形成能，而且相图分析显示在适宜的环境下相应的（001）SiCo(Mn)-AsGa界面能够稳定地存在。因此，完全可以通过控制Co2MnSi薄膜在GaAs基底上外延生长条件（如化学势、温度、压强等）来获得SiCo(Mn)-AsGa界面原子构型的（001）Co2MnSi/GaAs异质结构，从而获得高自旋极化的异质界面以及Co2MnSi超薄膜（纳米量级）。