新颖半金属磁性薄膜电子结构

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1、新穎半金屬磁性薄膜的電子結構文／黃迪靖摘要磁性薄膜的特性與應用一直是凝態物理研究的熱門課題，近年來發現的半金屬磁性薄膜即是一個例子，半金屬磁性物質的導電性完全決定於單一自旋方向的電子，它們具有磁矩量子化與零磁化率等特殊物理性質，這些奇異特性決定於其晶體結構與電子結構。本文討論半金屬磁性薄膜的電子結構及同步輻射能譜研究。659■■物理雙月刊（廿五卷五期）2003年10月一、前言磁性係一多體物理現象，源自於電子與電子之間的「互換作用」(exchangeinteraction)，在某一溫度下，電子與電子之間的互換作用導致磁性物質的磁矩

2、呈有規則排列，磁性薄膜具有豐富的物理現象包含磁相變、磁異向性(magneticanisotropy)、震盪式互換藕合(oscillatoryexchangecoupling)及巨磁阻(giantmagnetoresistence，GMR)或龐磁阻(colossalmagnetoresistence，CMR)等。某些龐磁阻材料中，例如La1-xSrxMnO3，它們的磁相變及磁阻變化與金屬－絕緣相變一起發生，而產生許多特殊凝態物理現象。物質的物理特性決定於價電子在晶體(即有規則的原子排列)中行為，在動量空間中，沿著不同方向價電子的能

3、量與晶體動量的關係決定所謂的電子能帶結構。在佔有電子態中，最高的能量我們稱為費米能階EF(Fermilevel)，如果我們將同一能量E，但不同動量的電子態數目相加，即可得到單位體積內的態密度(densityofstates)r(E)，從物質的電子能帶結構，我們可以了解它們的物理性質，例如物質的比熱和導電性皆與費米能階的態密度r(EF)成正比。磁性物質中，不同自旋方向的電子能帶結構並不相同，它們的電子能帶結構是自旋極化：電子自旋向上的態密度r↑(E)與電子自旋向下的態密度r↓(E)的形狀類似，但有一能量位移，此分開的能量稱為交換能

4、量(exchangeenergy)，其大小與物質的磁矩大約成正比，藉由能帶理論計算，我們可以很容易地計算出典型磁性材料Fe的態密度r(E)與能量E的關係，如圖一所示，為了清楚地比較r↑(E)與向下的態密度r↓(E)，我們將r↑(E)與r↓(E)分別畫在x-軸上方及下方，即我們將自旋向上及向下的電子態密度沿著y-軸的正方向與負方向分別作圖，圖一很清楚地顯示在費米能階EF的自旋向上的態密度r↑(E)大於自旋向下的態密度r↓659■■物理雙月刊（廿五卷五期）2003年10月(E)，也就是說在費米能階的電子自旋極化並不是零。然而在非磁性

5、材料中，例如銅，自旋向上與向下的電子能帶結構完全相同，因此電子自旋向上的態密度r↑(E)與自旋向下的態密度r↓(E)的完全樣，如圖一所示。圖一：Fe與Cu的自旋解析態密度r(E)與能量E的關係，r↑(E)與r↓(E)分別畫在x-軸上方及下方。二、單一自旋方導電與自旋磁矩的量子化在1951年Castelliz曾發現NiMnSb化合物的磁矩是電子自旋磁矩的四倍，即4mB，”磁矩量子化”--物質的磁矩是電子自旋磁矩的整數倍--是一很特殊的物理現象，一般來說磁性材料的每一個原子或單位晶包的磁矩並不是電子自旋磁矩的整數倍，例如Fe金屬中每

6、一個Fe的磁矩是2.2mB，Ni金屬中每一個Ni的磁矩是0.6mB，在1983年荷蘭物理學家R.deGroot與他的研究夥伴[1]提出”半金屬導電”(halfmetallic)的概念後(註：halfmetal又譯為單自旋金屬[2])，我們才對磁矩量子化的現象有一個完整的圖像，藉由能帶理論計算，R.deGroot與他的研究夥伴發現一種新型的材料，它們的導電性質決定於單一自旋方向的電子(例如自旋向上的電子)，而另一自旋方向的電子(例如自旋向下的電子)卻不參與物質的導電現象。從能帶理論的觀點來看，半金屬材料中某一自旋方向的電子態密度是

7、連續地橫跨過費米能階EF，因此對於此自旋方向的電子來說此物質是導體；對於另一自旋方向的電子，費米能階EF卻位於能隙(bandgap)中，此自旋方向的電子並不導電，半金屬磁性物質具有100%自旋極化、磁矩量子化與零磁化率等特殊物理性質[3]。假設半金屬磁性物質的EF位於自旋向下的能隙而且自旋向下的電子完全佔據某些特定的能帶，由於每一能帶容納一個電子，因此在單位晶包內，自旋向下的電子數目N↓是整數，所以自旋向下的電子數目N↑＝N－N↓也是整數，其中單位晶包內價電子總數為N，因此單位晶包內的半金屬磁性物質的磁矩m＝(N↑-N↓)mB是

8、電子磁矩的整數倍(註：每一電子具有1mB的自旋磁矩)，即是半金屬磁性物質具有量子化的自旋磁矩，所以在半金屬材料中，在費米能階處某一自旋方向的電子態密度，如r↑(EF)，並不為零；而另一自旋方向的電子態密度，如r↓(EF)，卻是零。如果我們定義電子自旋極化為P＝(