寇毅 刘起鹏
（重庆邮电大学理学院，中国 重庆 400065）
【摘要】使用基于密度泛函理论的第一性原理研究，优化了岩盐结构高自旋极化材料TmS的几何结构，计算了其自旋极化的态密度和离子磁矩等磁电性能，分析了TmS的电子结构，并对其应用前景做出了展望。结果表明，TmS在费米面处具有接近98.5 %的自旋极化率，为高自旋极化材料，且其原胞磁矩为-4.88 μB，为强磁体材料，使其有望成为自旋电子器件的自旋注入端材料。TmS的原胞磁矩主要来源于稀土元素Tm。
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关键词 高自旋极化，第一原理研究，电子结构
Electronic Structure of High Spin-polarized Material TmS
KOU Yi LIU Qi-peng
(College of science, Chongqing university of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
【Abstract】Using the first-principles calculation based on the density functional theory, the geometry structure of rock-salt TmS with high spin-polarized was optimized. The magnetic properties such as the spin-polarized state densities and the ionic magnetic moments of TmS were calculated. Then the electronic structures of TmS were analyzed, and the application prospect of TmS in Spintronics was given. Results show that the spin polarization of TmS is close to100% at the Fermi level, indicating that it is probably a kind of high spin-polarized material. The magnetic moments of the primitive cell are 4.8 μB, indicating that it has strong magnetism. Therefore, TmS is probably suitable for spin injector. The magnetic moments of the primitive cell come mainly from the Tm ions.
【Key words】High spin-polarization; First-principles calculation; Electronic structure
0 引言
电子的内禀特性包括两个方面，即电荷和自旋[1]。长久以来，基于传统半导体电子学的半导体器件中，电子只是作为电荷的信息载体，完全没有考虑其自旋特性。相反，基于传统磁电子学的磁电子器件只利用了电子的自旋特性，而没有涉及电子的电荷性。由于巨磁阻效应的发现，利用电子自旋属性的自旋电子学于20世纪末兴起，它是半导体电子学和磁电子学的有机结合。在自旋电子学中，电子电荷和自旋都作为信息的载体，因而此类电子材料的信息量（二维电子学）将极大提高。相比于传统的半导体器件，它还具有低功耗、数据处理速度快、非易失性等特点。
电子材料的自旋极化率高，就可以产生高自旋极化的传导电子。另外，此类材料的电阻率和半导体器件的电阻率极为接近。因此，这类高自旋极化材料可以成为自旋半导体器件的自旋注入器。目前已发现许多高自旋极化材料，如Heusler合金结构的Fe2CrGa[3]，闪锌矿结构的CrSe和CrAs[4]，以及纤锌矿结构TmZn15S16(Tm=V,Cr,Mn)[5]，岩盐型结构的CrCa8Se7[6]等。这些材料的自旋极化几乎来源于过渡元素[7-8]，而对含稀土元素的高自旋极化材料的研究很少[9]。本文使用第一性原理方法[10]，拟优化岩盐结构TmS的几何结构，然后详细计算其磁电性能，并探讨其磁电性能的微观机制。
1 物理模型及计算方法
TmS为岩盐结构，如图1所示，属等轴晶系，其中黄色离子为S离子，绿色离子为Tm离子。由图1，S排列成立方密堆，Tm填充在S构成的八面体空隙中，配位数为6。本文先对TmS的几何结构进行优化，然后再计算其自旋极化态密度。本文所有的优化、计算都采用基于密度泛函的第一原理性程序包CASTEP。该模块利用平面波赝势方法，静电势只计算价电子的有效势，电子波函数通过平面波基组展开，电子间相互作用的交换和关联效应由广义梯度近似(GGA)进行校正，它是目前较为准确的电子结构计算方法。选取S、Tm的电子组态分别为：S 3s23p4和Tm 5s24d105p64f136s2；采用Fine的计算精度，与之相对应的截止动能为380eV。
2 结果与讨论
图2给出了TmS自旋极化的总态密度（TDOS）图，图中实线和虚线分别代表不同能量处自旋向上和自旋向下的电子态密度。自旋向上子带被分割成五个个部分，他们的能量范围分别是：a1（-50.8，-49.1eV）， a2（-24.5，-22.6eV），a3（-14.8，-12.3eV），a4（-6.9，-2.4eV）和a5（-1.4，5.5eV）。自旋向下子带被分为六个部分，他们的能量范围分别是：b1（-51.5，-49.8eV），b2（-24.9，-23.0eV），b3（-14.8，-12.4eV），b4（-6.8，-3.0eV），b5（-2.9，-0.9eV）和b6（-0.9，5.4eV）。
尽管低能部分的前三个能带中自旋向上子带和自旋向下子带有一定的相对位移，但它们关于横轴（DOS=0）呈近似错位轴对称分布，尖而窄，且它们的能量远小于费米能，因此这三个能带中的电子对于TmS的磁性能和电性能几乎没有影响。自旋向上子带a4与自旋向上子带b4对应，他们均处于费米面下较深处，属于低价带，它们中的电子不传输从而对TmS的电学性能无影响；它们关于横轴对称，因此对材料的磁性能也无影响。在费米面附近，自旋向下的导带被撕裂成两个子带b5和b6，其中b5被高度局域在费米面以下，形成尖锐的峰，距离费米面仅0.9 eV。此子带没有对应自旋向上子带，故对TmS的磁性能产生重要影响。自旋向上子带a5与自旋向下子带b6对应，均穿过费米面。但是，费米面处自旋向上子带的态密度较大，且较宽而具有良好的导电性能，相反自旋向下子带的态密度近似为零。因此，费米面上的电子（即传导电子）自旋极化率近似100%。
图3给出了TmS中S离子和Tm离子自旋极化的分态密度，图中横轴上方和横轴下方分别代表自旋向上和自旋向下的子带。其中分态密度包括s、p、d和f轨道态密度。计算中涉及的原子的电子结构分别为：S 3s23p4和Tm 5s24d105p64f136s2。从图3，a1和b1主要来自于Tm 5s轨道，该轨道与其他轨道具有较大的能量差异，具有很强的局域性，故不能形成杂化。a2和b2主要来自于Tm 5p，极少部分来自于S 3s 3p，该轨道的电子几乎不传输，故对TmS的磁电性能无影响。a3和b3主要来自S 3s轨道，极少来自Tm5p和 6s。a4和b4主要来自于S的3p轨道，其次是Tm的4d轨道，极少部分电子来源于Tm的5p和6s，即Tm比S相比贡献很弱，轨道杂化极轻微。b5的电子主要来自于Tm的6s轨道，少部分来自于S 3p轨道，即Tm 6s 和S 3p发生轻度杂化。a5在费米面附近的电子主要来源于Tm的4f轨道，极少来源于Tm 4d轨道和S 3p。a5子带在费米面之上的电子和b5子带对称，大多数来源于Tm 4d，小部分来源于Tm的5s轨道以及S的3s和3p轨道。由上述可知，TmS的高自旋极化性主要由Tm的 4d能级错位而形成，但由于晶体场作用，极少部分S 3p轨道的电子被撕裂到费米面上，部分4d轨道的电子也延伸至费米面，导致自旋极化率降低。
表1给出了晶胞中个离子的离子磁矩。从表1可以看出，TmS的晶胞含有4个Tm原子和4个S原子。通过第一原理性计算所得的Tm离子磁矩为-1.22 μB，而S离子的磁矩只有0.02μB，即Tm离子磁矩远远大于S离子的磁矩，TmS的磁矩几乎全部来源于Tm离子，这与前文由电子自旋极化态密度得到的结论一致。将晶胞内所有原子和价键的磁矩相加可得晶胞磁矩，即可计算出TmS晶胞的磁矩为-4.8 μB。较大的晶胞磁矩表明TmS具有较强的磁性，且该磁矩与整数磁矩较为接近，表明TmS为高自旋极化材料，在自旋电子学中极具应用前景。
3 结论
基于第一性原理，本文优化了TmS的几何结构，并对其自旋极化态密度进行了计算，对其磁电性能和电子结构做了详细的分析。分析表明，岩盐石结构的TmS是典型的高自旋极化材料，在费米面处具有98.5%的自旋极化率，可作为自旋半导体器件的自旋注入端，其晶胞磁矩为-4.8 μB，磁矩主要来源于稀土元素Tm。
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参考文献
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［责任编辑：杨玉洁］