狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法
阅读：161发布：2020-05-11
专利汇可以提供狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 所述的一种狄拉克 节点 球半金属及其制备与应用方法，提出由第VB族过渡金属 原子 X和第V主族原子Y构成的X3Y 合金 材料形成的狄拉克节点球半金属，其具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成了一个球壳状，该合金材料具有较大的SHC，以期向后续功能性纳米器件(如自旋 存储器 件SOT-MRAM、磁 传感器 )实验提供理论 基础 与指导。狄拉克节点球半金属的 晶体结构 是以有序的L12相的Cu3Au为基础结构，将第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成面心立方结构(fcc)仿真材料X3Y。其中，处于面心的原子是第VB族过渡金属原子X(如Nb,Ta)，8个 顶点 处的原子为第V主族原子Y(如As,Sb,Bi)。，下面是狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法专利的具体信息内容。
1.一种狄拉克节点球半金属，其特征在于：晶体结构是以有序的L12相的Cu3Au为基础结构，将第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成面心立方结构(fcc)X3Y；
处于面心的原子是第VB族过渡金属，8个顶点处的原子为第V主族金属。
所述狄拉克节点球半金属具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成球壳状。
2.根据权利要求1所述的狄拉克节点球半金属，其特征在于：狄拉克半金属材料优选为Ta3Bi。
3.一种狄拉克节点球半金属的制备方法，其特征在于：取用单晶硅作为衬底，采用多源(multi-source)方法生长X3Y合金；
实施步骤包括，在纯X金属靶上放置不同数量的Y金属条进行磁控溅射；
将Y金属条沿X金属靶的轴心呈发散状放置，直至X金属和Y金属的组分之比为3：1时，完成狄拉克节点球半金属合金的制备。
4.一种狄拉克节点球半金属应用于磁隧道结(MTJ)元件中的方法。
狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法
技术领域
背景技术
[0002] 伴随高速运算能力及储存需求的快速增长，存储芯片等尖端半导体行业极受关注。其中，磁阻式随机存取储存器(MRAM)因具有低耗能、写入速度快等特性，逐渐成为产学双方共同研发的重点项目。前三代MRAM均面临磁矩反转效率低下等问题，基于自旋轨道耦合相互作用的自旋轨道矩(SOT)的SOT-MRAM可以实现高效的电场操控以及翻转铁磁层矩，产生非常大的自旋霍尔电导(SHC)。经研究发现，SOT-MRAM可以比STT-MRAM快一个数量级，开关能量可减少至少两个数量级，写入速度可提高20倍，位密度增加10倍等。因此，对高速、低功耗的信息存储和逻辑运算器件的发展具有重要的应用前景。对SOT-MRAM的制备而言，极大的障碍之一就是器件材料的选取。实现高效、低功耗、可批量生产的SOT-MARM器件的关键之一就是探索具有较大SHC的新型材料。
[0003] 众所周知，自旋霍尔电导(SHC)起源于自旋轨道耦合(SOC)相互作用，与本征自旋霍尔效应(SHE)密切相关。当前对具有较强SHE的材料的研究主要集中于重金属和拓扑绝缘体。但是，以上两类材料在实用性上均存在SHC相对较小的问题，在具有强烈SHE的材料中寻找具有较大SHC的新型材料则有望突破该障碍。
[0004] 目前发现，具有狄拉克锥能带结构的材料有许多优异的物理特性，如强烈的霍尔效应(SHE)和极高的载流子迁移率等。而狄拉克半金属是一种具有非平庸拓扑性质的新型材料,其能带满足描述相对论粒子能量-动量关系的狄拉克方程，在费米面附近具有三维狄拉克点,在狄拉克点处能带结构的四重简并一般由晶格对称性与时间反演对称性共同保护。该类材料已成为最近凝聚态领域和材料科学领域研究的热点。
[0005] 现有对具有较强自旋霍尔效应的材料研究主要分为以下两大类：一类是，具有较强自旋轨道耦合的重金属，如Ta，W等，但它们在费米能级处的SHC却比较小。即使铂金Pt的SHC超过 因Pt是稀土贵金属，价格昂贵等因素限制其在实际应用中的大批量生产；另一类是，被预测具有强烈自旋霍尔效应的理想材料即拓扑绝缘体，即便它展现出许多优异的物理特性，但研究发现相对一般金属(电阻率约101—102μΩcm)，其电阻率通常较高(约103—104μΩcm)，这导致了电流难注入的问题，阻碍该类材料在SOT-MRAM等自旋电子器件领域的应用。实际上，SHC在以上两类材料中都比较小，如GaAs～100,WTe2<400,OsO2～541,TaAs～781,β-W～1255,4d和5d过渡金属
[0006] 受到当前实验条件的不确定性限制，发现新型狄拉克材料将是一个复杂而漫长的过程。而理论计算可以设计一种新型材料，通过模拟计算和数值分析来预测一些兼具拓扑特性和金属性质的新型材料即狄拉克半金属，从而为实验研究提供指导及理论依据，能够有效地减少实验过程中的盲目性。
发明内容
[0008] 本发明所述的狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法，其目的在于解决上述现有技术存在的实际需求与技术难点而提出由第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成的X3Y合金材料形成的狄拉克节点球半金属，其具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成了一个球壳状，由该合金材料具有较大的SHC，以期向后续功能性纳米自旋电子器件(如自旋存储器件SOT-MRAM、磁传感器)实验提供理论基础与指导。
[0009] 为实现上述设计目的，所述狄拉克节点球半金属，其晶体结构是以有序的L12相的Cu3Au为基础结构，将第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成面心立方结构(fcc)仿真材料X3Y。
[0010] 其中，处于面心的原子是第VB族过渡金属原子X(如Nb,Ta)，8个顶点处的原子为第V主族原子Y(如As,Sb,Bi)。
[0011] 上述由第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成的X3Y合金材料，属于一种新型的狄拉克节点球半金属，其具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成了一个球壳状；
[0012] 上述狄拉克节点球半金属具有较大的自旋霍尔电导，第VB族过渡金属原子X优选Ta，如Ta3Bi。
[0015] 具体地，取厚度约为0.5mm的单晶硅作为衬底，采用多源方法生长Ta3Bi合金。
[0016] 实施手段为：在纯Ta靶上放置不同数量的3mm×12mm的Bi条进行磁控溅射，Bi条的数量越多，Ta和Bi构成的合金中Bi的成分相对越多；
[0017] 将Bi条沿Ta靶轴心发散状放置(如图7所示仅列出了3条Bi条的情况)，直至Ta和Bi的组分之比为3：1时，完成狄拉克节点球半金属Ta3Bi合金的制备。
[0018] 进一步地，本申请提出狄拉克节点球半金属应用于磁隧道结(MTJ)元件中，从而应用于SOT-MRAM等未来低能耗自旋电子器件。
[0020] 金属掩膜层厚度可以略大于MTJ元件层Ta3Bi合金。
[0022] 采用诸如离子束刻蚀(IBE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等适当的一种或多种刻蚀工艺形成由狄拉克节点球半金属Ta3Bi合金制成的，具有独立圆柱状结构的MTJ元件层。
[0024] 综上所述，本申请狄拉克节点球半金属及其制备与应用方法具有的优点是，采用理论模拟与计算，通过模型构建、稳定性测试、能带计算与准确拟合以及拓扑特性分析，设计了一种新型三维狄拉克节点球半金属材料，一方面丰富了对拓扑材料的认识与理解；另一方面，经计算发现Ta3Y合金具有很大的自旋霍尔电导(SHC)，可为后续有关SOT-MRAM等纳米器件的实验提供有价值的理论基础。通过采用模拟计算的方法不仅具有成本低、准确性高且重复性好的优势，还可以不断挖掘该材料的其他优异特性以便应用于更多前沿领域。附图说明
[0025] 图1是本申请X3Y狄拉克节点球半金属结构示意图；
[0026] 图2是进行晶体结构稳定性测试得到的声子谱计算结果示意图；
[0027] 图3a和图3b分别是拓扑特性分析中Ta3Bi合金能带、紧束缚势模型对能带拟合示意图；
[0028] 图4a和图4b分别是拓扑特性分析得出的动量空间节点球、拓扑表面态示意图；
[0029] 图5是同族多种材料的狄拉克半金属示意图；
[0030] 图6是狄拉克节点球半金属X3Y的自旋霍尔电导(SHC)示意图；
[0031] 图7是狄拉克节点球半金属的制备示意图；
[0032] 图8是Ta3Bi合金作为MTJ元件的结构示意。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和实施示例对本发明作进一步详细地描述。
[0034] 实施例1，本申请采用理论模拟与计算，通过模型构建与稳定性测试，能带计算与准确拟合，以及对拓扑特性模拟分析，提出了一种新型的狄拉克节点球半金属及其制备方法。
[0035] 如图1所示，所述的狄拉克节点球半金属，其晶体结构是以有序的L12相的Cu3Au为基础结构，将第VB族过渡金属原子X(Nb,Ta)和第V主族原子Y(As,Sb,Bi)构成面心立方结构(fcc)仿真材料X3Y。
[0036] 其中，处于面心的原子是第VB族过渡金属原子X(如Nb,Ta)，8个顶点处的原子为第V主族原子Y(如As,Sb,Bi)。
[0037] 上述由第VB族过渡金属原子X和第V主族原子Y构成的X3Y合金材料，属于一种新型的狄拉克节点球半金属，其具有鼓膜状的拓扑表面态，三维动量空间中狄拉克点构成了一个球壳状；
[0038] 上述狄拉克节点球半金属具有较大的自旋霍尔电导，第VB族过渡金属原子X优选Ta。如Ta3Bi，在费米能处SHC值最大，约为 高于目前发现的除贵金属Pt之外的其他材料，但是Pt属于贵金属，不具有广泛应用的推广前景。
[0040] 优化设置是，采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)赝势，交换-关联泛函采用广义梯度近似(GGA)来描述交换关联泛函，布里渊区k点采样利用Monkhorst-Pack(MK)方案。
[0041] 结构优化中的主要参数设置为：平面波截止能为340eV，收敛精度为10-6，布里渊区k点的选取为15×15×15。
[0042] 以预测的SHC最大的Ta3Bi为例，优化后的三维狄拉克仿真材料结构参数分别为：
[0043] 空间群 (No.221)
[0044] 晶格常数
[0045] 原子的Direct坐标
[0046]
[0047] 该参数均为结构优化后所得，可确定三维狄拉克仿真材料的唯一性。
[0048] 如图2所示，为证明上述狄拉克节点球半金属材料的晶体结构稳定性进行测试。
[0049] 基于有限位移法，采用PHONOPY程序对上述节点球晶体结构的声子谱进行稳定性测试。以Ta3Bi为例，将Ta3Bi的原胞扩大至5×7×7超胞后进行声子谱的计算。经计算结果显示，并不存在虚频，这说明该狄拉克半金属材料的晶体结构是稳定存在的。
[0050] 关于能带和拓扑特性的计算分析如下。
[0051] 利用QUANTUM ESPRESSO结合Wannier90及WannierTools程序，通过采用紧束缚势模型(TB model)，其哈密顿量为：H(k)＝dx(k)σx+dy(k)σy+dz(k)σz+d0I[0052] 在充分考虑自旋轨道耦合(SOC)情况下，对其能带进行了模拟计算、准确拟合及拓扑特性分析。
[0053] 主要参数设置为：原子受力精度为 平面波的截断电荷密度为850Ry，截断能参数为70Ry。
[0054] 以Ta3Bi为例，计算及拟合结果如图3a和图3b所示。
[0055] 这说明上述X3Y是一种新型三维狄拉克节点球半金属材料，在三维动量空间呈现了狄拉克节点球的拓扑特性，在(010),(001)面等展示了鼓膜状拓扑表面态，如图4a和图4b所示。
[0056] 按照上述设计原理与结构测试，在相同三维节点球结构的基础上，通过替换其他同族材料发现狄拉克半金属材料不仅仅只是Ta3Bi合金，同族X3Y类材料都是狄拉克半金属，如图5所示。
[0057] 关于自旋霍尔电导(SHC)计算如下。
[0058] 基于上述X3Y材料进行自旋霍尔电导(SHC)研究计算,通过最大局域化Wannier函数和Wannier90程序(该程序的准确可靠性已得以证实并发表于Phys.Rev.B 2018,98,214402)。在计算过程中选取密集的K点网格，参数设置为100×100×100。
[0059] 如图6所示，展示了三维狄拉克半金属X3Y的自旋霍尔电导。可见，Ta3Y材料具有非常大的SHC。因此，可以解决Pt等贵金属的实用效率低和拓扑绝缘体面临的电阻率高等问题，为自旋电子器件(如SOT-MRAM)等纳米功能器件的材料选择提供了理论基础与指导作用。
[0060] 现有技术中的金属Pt和β-W均具有较大的自旋霍尔电导。但是，金属Pt是稀土贵金属、价格非常昂贵而不适合大批量生产；β-W的热稳定性较差，很难实现具有稳定β-W/铁磁层的MTJ元器件。
[0061] 所述狄拉克节点球半金属的制备方法，是实现一种金属元素Ta掺杂Bi构成狄拉克节点球半金属(化学式为Ta3Bi)，以作为MTJ元件的制备材料。
[0062] 具体地，取厚度约为0.5mm的单晶硅作为衬底，采用多源(multi-source)的方法生长Ta3Bi合金。
[0063] 实施手段为：在纯Ta靶上放置不同数量的3mm×12mm的Bi条进行磁控溅射，Bi条的数量越多，Ta和Bi构成的合金中Bi的成分相对越多；
[0064] 将Bi条沿Ta靶轴心发散状放置(如图7所示仅列出了3条Bi条的情况)，直至Ta和Bi的组分之比为3：1时，完成狄拉克节点球半金属Ta3Bi合金的制备。
[0065] 由于狄拉克节点球半金属是一种具有非平庸拓扑性质的新型材料,其能带满足描述相对论粒子能量-动量关系的狄拉克方程，在费米面附近具有三维狄拉克点,在狄拉克点处能带结构的四重简并一般由晶格对称性与时间反演对称性共同保护。借由上述该类材料展现出诸多优异物理性质，比如非常高的载流子迁移率和较大的自旋霍尔电导等，能够良好地应用于磁隧道结(MTJ)元件中，从而应用于SOT-MRAM等未来低能耗自旋电子器件。
[0066] 如图8所示，Ta3Bi合金作为MTJ元件的结构示意。
[0067] 金属掩膜层的材料，优选由钛(Ti)、钌(Ru)组成的单层或多种材料组成叠层，采用诸如物理气相沉积(PVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等适当的淀积工艺来形成金属掩膜层。金属掩膜层厚度可以略大于MTJ元件层Ta3Bi合金，具体掌控在1nm～200nm间，采用标准图形化技术，形成金属掩膜层。形成金属掩膜层后，可以采用诸如氧等离子、化学清洗等方法去胶工艺去除残留的光刻胶，最终形成孤立的圆柱状结构的金属掩膜层，最小尺寸由柱形MTJ元件设计尺寸决定。
[0068] 在本实施例中，金属掩膜层圆柱的最小尺寸为可以是10nm～100nm。再采用诸如离子束刻蚀(IBE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等适当的一种或多种刻蚀工艺形成由狄拉克节点球半金属Ta3Bi合金制成的，具有独立圆柱状结构的MTJ元件层。电介质区可以由任何适当的电介质材料组成如二氧化硅、氧化铝等。
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