物理所在钙钛矿半金属研究中获进展

磁性半金属（half metal）是一类重要的自旋电子学材料，具有独特的能带结构。其中一种自旋取向（如自旋向上）的电子打开能隙，不参与导电；而另一种自旋取向（如自旋向下）的电子穿过费米面，参与导电。因此，理论上半金属具有100%自旋极化的载流子，在先进磁记录、磁存储、高效磁传感器、自旋发光二极管等诸多领域具有广阔的应用前景。要实现半金属的应用，一方面需要材料具有室温以上的居里温度（T_C）；另一方面为防止热激活效应激发禁带载流子降低极化率，需要具有宽的半金属带隙（> 1.5 eV）；此外，为提高自旋注入率，需要较大的饱和磁矩。然而，目前已有的半金属难以同时满足上述要求，研制综合性能优越的半金属材料是一个重大挑战。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M08组研究员龙有文团队利用高压高温手段成功制备了一种兼具高磁相变温度T_C、宽自旋带隙E_g （2.3 eV）以及大饱和磁矩M_N （8.0μB/f.u.）的钙钛矿半金属LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂（LCFRO），该材料具有优异的综合性能，特别是其T_C高达710 K，是目前钙钛矿体系中T_C最高的半金属，具有良好的应用前景。

在前期研究中，该团队利用高压高温手段获得了新型钙钛矿物材料LaCu₃Co₂Re₂O₁₂。该材料具有宽的自旋带隙（1.9 eV）、近100%的B位有序度以及比同类材料更大的低场磁电阻，但遗憾的是T_C在室温以下。为了进一步提高半金属材料的T_C，改善其综合性能，基于海森堡模型，该团队将B位的Co²⁺离子替换成具有更多未配对电子的Fe³⁺离子，发挥高压高温合成优势，在9 GPa和1273 K的条件下成功制备了A位和B位同时高度有序的四重钙钛矿LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂。通过XRD、磁学、电学、热学以及同步辐射X光吸收谱与磁圆二色谱等一系列结构表征与综合物性测试，同时与物理所研究员杨义峰团队合作，结合第一性原理计算，对LCFRO进行了详细研究。测试结果表明，LCFRO的电荷组态为LaCu²⁺₃Fe³⁺₂Re^4.5+₂O₁₂，具有Cu²⁺(↑)-Fe³⁺(↑)-Re^4.5+(↓)亚铁磁的自旋排列方式，其T_C高达710 K，而在2 K，7 T条件下每个分子式具有8.0 μB的大饱和磁矩。电输运测试与比热测试结果表明LCFRO具有巡游电子特征。此外，该材料“butterfly”型的磁电阻行为，预示着其自旋极化载流子源于多晶样品间的隧穿效应，与很多钙钛矿磁性半金属类似。进一步，通过第一性原理计算，发现LCFRO自旋向上的能带表现出绝缘体行为，带隙高达2.3 eV；而自旋向下的能带则表现出金属行为，费米能级EF附近态密度主要由Re离子贡献。并且，理论计算中当改变U_eff的大小时，并不改变LCFRO的半金属本质，只是能带具体形貌和带隙数值有轻微的变化。因此，实验与理论均证明了LCFRO的半金属性。如果定义半金属综合性能指标参数 α =T_C× E_g × M_N进行比较时，发现在所有T_C大于室温的氧化物半金属材料中，LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂具有最高的综合性能指标。

该材料的制备与研究提供了一个高性能磁性半金属的范例，为探索具有实际应用前景的半金属材料提供了新的思路。相关成果以Realization of a Half Metal with a Record-High Curie Temperature in Perovskite Oxides为题在线发表在Advanced Materials上。

该工作获得了科学技术部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、中科院、国家博士后创新人才支持计划等项目的资助。

论文链接

图1 新型A、B位有序四重钙钛矿LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂的XRD精修图和晶体结构示意图

图2 LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂的磁性随温度和外磁场的变化关系

图3 利用第一性原理计算得到的LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂能带结构图

图4T_C大于室温的氧化物半金属材料综合性能指标α对比图