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本文1704字，阅读约需4分钟 摘 要：日本的一个研究小组使用三种典型的沉积技术制备了一种有望作为自旋电子学材料的自旋无带隙半导体——锰钴铝合金薄膜（三元惠斯勒合金薄膜），并使用大型同步辐射装置SPring-8的BL13XU，成功地综合评估了其性能与结构之间的关系。通过利用同步辐射的波长选择性，进行反常色散X射线衍射等测量，对与复杂的三元惠斯勒有序合金薄膜的材料性能直接相关的有序合金规律性实现了量化。根据本研究的方法，可以设计和评估包括惠斯勒合金在内的各种有序合金材料。传统的自旋无带隙半导体研究主要集中在对其物理性质的测量上，而本研究明确表明其薄膜晶体结构对于实现半导体的基本特性极为重要，并且为用于节能型非易失性存储器等的自旋无带隙半导体的开发指明了新方向。 关键字：自旋无带隙半导体、锰钴铝合金薄膜、三元惠斯勒合金薄膜、有序合金材料、节能型非易失性存储器 近年来，一种被称为自旋无带隙半导体的新型量子材料作为自旋电子学材料备受关注。自旋无带隙半导体是一种具有特殊电子结构的物质，由于它是一种磁性材料，因此除了具有向上和向下自旋的两个电子带交换分裂之外，在两个自旋带中都具有能隙。根据这一特性，可以通过例如电场调制其磁特性和磁传输特性，从而有望应用于节能型非易失性存储器。 由锰、钴和铝组成的合金是实验报告中首次显示出作为自旋无带隙半导体特性的材料，也称为三元惠斯勒合金。然而，众所周知，锰钴铝合金是非常容易相分离的材料，在热力学上也非常不稳定。此外，它需要制成薄膜才能用于实际设备，但其性能高度依赖于制造工艺。也就是说，尽管人们认为原子级的缺陷和微细结构对其特性有很大的影响，但过去的自旋无带隙半导体研究一直集中在对物理性质的测量上，对高度影响其性质的原子级的晶体结构并没有给予很大的关注。这是因为凭借实验室级别的X射线源，很难对元素周期表中相邻的锰和钴的替换等缺陷结构进行评估。 此次，研究小组为了更深入地了解锰钴铝合金的物理特性与晶体结构之间的关系，采用真空溅射法、离子束辅助溅射法和分子束外延法这三种典型沉积方法制备了该合金薄膜，并对其物理特性、微细结构和晶体结构进行了详细研究。 为了研究这种有序合金的原子级晶体结构及其缺陷结构，利用同步辐射波长选择性的反常色散X射线衍射必不可少。利用反常色散X射线衍射，即使是元素周期表中相邻的元素，也可以进行特定元素的重点分析（图1）。同步辐射实验在SPring-8的光束线BL13XU上进行。
图1：自旋无带隙半导体和反常色散X射线衍射的概念图。此次制作的用于显示自旋无带隙半导体性质的合金薄膜预计采用XA结构。但是，如扫描透射电子显微镜图像所示，通过由成分相近的两个晶相组成，且能够区分元素的反常色散X射线衍射实验，可知该合金薄膜不是XA结构，而是钴和锰互换的不规则结构。 实验得到的结果出乎意料。三个样品都满足了先前提到的自旋无带隙半导体的特性，但它们的微细结构和晶体结构却有明显差异。在真空溅射法和离子束辅助溅射法中，通过反常色散X射线衍射的分析可知，其晶体结构与预计将成为自旋无带隙半导体的所谓XA结构的晶体结构不同，并且由电子显微镜观察可知发生了强相分离。在分子束外延法中，也可知它由化学成分略有不同的两个晶相组成，而非单相。 图2所示为通过分子束外延法沉积的锰钴铝合金的反常色散X射线衍射的实验结果和获得的晶体结构。同样在这种情况下可知，与XA结构不同，两相是锰和钴相互混杂的L21B结构和不规则L21结构。综上，对于复杂的三元惠斯勒有序合金薄膜，研究小组成功实现了与材料性能直接相关的有序合金规律性的量化。
图2：反常色散X射线衍射的实验结果（上）和获得的晶体结构（下） 由此可知一个事实，即过去自旋无带隙半导体研究中被忽视的相邻元素的原子规则状态对于实现真正的自旋无带隙半导体类电子结构，并将由此带来的传输特性发展到实用器件中是极其重要的。并且这一成果的获得必须利用同步辐射的波长选择性。 根据本研究的方法，能够设计和评估包括惠斯勒合金在内的各种具有新功能的有序合金材料。换言之，通过反常色散X射线衍射仔细分析和讨论原子级结构，可以获得自旋电子材料开发的指导方针。特别是，利用SPring-8可以评估接近实际器件纳米厚度的样品，有望加速其在实际器件材料中的应用。 翻译：王宁愿 审校：刘 翔 李 涵 统稿：李淑珊  ●SEC Carbon：开发出以CO2为原料制作锂离子电池材料的技术 ●GaN衬底的零损耗快速激光切割技术开发成功！有望显著降低使用GaN衬底的器件成本 |
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