亚铁磁半金属Cr2MnAl薄膜与纳米线阵列的制备及其物理特性研究

本文成功通过磁控溅射技术制备出具有Hg2CuTi结构的Cr2MnAl亚铁磁半金属材料，填补了该材料在实验合成领域的空白。研究发现室温生长可实现最佳原子有序度，获得与理论值吻合的2 μB/f.u.饱和磁化强度。其纳米线阵列展现显著垂直磁各向异性，为自旋电子学器件（如磁性隧道结）提供了理想电极材料，对推动高密度、低能耗自旋电子器件发展具有重要意义。

　　

Highlight

Cr₂MnAl合金被预测为一种半金属亚铁磁体（Half-Metallic Ferrimagnet），在自旋向下通道呈现金属特性，而在自旋向上通道则具有半导体带隙。然而，该相迄今尚未通过实验成功合成。本文报道了通过磁控溅射技术成功制备出Hg₂CuTi结构Cr₂MnAl合金的薄膜和纳米线阵列。Cr₂MnAl中的原子有序度与生长温度密切相关。在室温生长条件下，实现了最优原子有序排列，使薄膜的饱和磁化强度达到2 μ_B/f.u.，与Hg₂CuTi型原子排列的理论值高度一致。该薄膜表现出负电阻温度系数，电子结构分析表明该现象源于费米能级附近的高度局域化载流子。

利用多孔阳极氧化铝（AAO）模板制备了纳米线阵列，并通过模板溶解和超声处理分离出单根纳米线。其易磁化轴与纳米线生长方向一致，展现出显著的垂直磁各向异性（Perpendicular Magnetic Anisotropy）。

Introduction

自旋电子学（Spintronics）作为凝聚态物理的重要领域，利用电子自旋自由度开发新型自旋电子器件及功能。其核心涉及磁性异质结构中自旋流的产生、操控与检测，并利用这些电流激发和设置磁性纳米元件的状态。自旋电子器件亟需能够提供高自旋极化电流的材料，因器件性能很大程度上取决于关键材料的自旋极化能力。提升电流自旋极化率成为自旋电子器件设计的重要挑战，因此获取高自旋极化材料已成为该领域的重点研究方向。

半金属（Half-Metal, HM）概念于1983年由de Groot首次提出。这类材料具有特殊的能带结构：在一个自旋通道表现为金属，而在另一通道表现为半导体或绝缘体。因此，其在费米能级（E_F）处的自旋极化率可达100%，使HM成为自旋电子器件中最具应用前景的材料之一。

Heusler合金具有高度有序的晶体结构、丰富的组分和相近的晶格参数，蕴含多样物理特性和应用功能，是材料科学与凝聚态物理领域最受关注的材料体系之一。在Heusler合金中，半金属铁磁体如Co₂基Heusler合金较早被发现并得到系统研究。然而，铁磁体因存在较大净磁矩会产生强静磁偶极场，导致高能量损耗且易受外磁场干扰。相关自旋电子器件的功能受到杂散场和千兆赫兹自旋动力学的双重限制。因此，寻找具有小乃至零总磁矩的半金属材料对提升自旋电子器件的工作效率与稳定性具有重要意义。至此，反Heusler化合物受到特别关注，例如Mn₂基和Cr₂基Heusler合金。

对于Cr₂基Heusler合金，它们通常具有Hg₂CuTi型结构，其中两个最近邻Cr原子的磁矩呈反平行排列。它们是典型的亚铁磁材料，具有小乃至零总磁矩，有望成为高密度、高速、高效自旋电子器件的重要替代材料。迄今为止，对Cr₂基Heusler合金的研究大多停留在理论计算层面，仅少数材料如Cr₃Al、Cr₂FeAl、Cr₂NiAl、Cr₂CoGa、Cr₂CoAl和Cr₂MnSb在实验中得以合成。理论计算表明，具有Hg₂CuTi结构的Cr₂MnAl Heusler合金是一种半金属亚铁磁体，且具有较小的总磁矩。此外，其三个独立弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄满足力学稳定性条件，表明该结构具备稳定性。目前，仅Cr₂MnAl纳米颗粒在实验中成功合成。然而，半金属材料在实际应用中常需以薄膜形式作为异质结电极材料，因此高质量Cr₂MnAl薄膜的合成具有重要意义。

此外，纳米技术的发展对多个科学领域产生巨大影响。当材料尺寸达到纳米级别时，会因纳米尺度效应呈现诸多新颖物理性质。纳米结构的尺寸减小及其与尺寸、形状相关的物理化学特性在各种技术领域发挥先锋作用。一维铁磁纳米线因其独特的电子态密度分布，可能沿直径方向展现不同的自旋极化电子与磁特性，在多种应用领域扮演重要角色。且由于其极强的垂直各向异性，被视为下一代纳米功能器件的理想材料。然而，关于Heusler合金纳米线的研究相对稀缺，尤其是Cr₂基Heusler合金纳米线尚未见报道。因此，Cr₂MnAl的纳米尺度制备同样具有重要意义。

本研究通过磁控溅射技术成功制备出具有高度有序Hg₂CuTi型结构的单相Cr₂MnAl薄膜，研究了其晶体结构、磁性和电输运特性，并通过电子结构分析解释了电输运行为。结合多孔阳极氧化铝（AAO）模板制备了Cr₂MnAl纳米线阵列，分析探讨了磁控溅射技术在AAO模板上合成纳米线阵列的生长机制，研究了其晶体结构、形貌和物理特性。本研究制备的Cr₂MnAl薄膜与纳米线阵列将成为构成磁性隧道结的理想电极材料，在自旋电子器件中具有重要应用价值。

Experimental and computational details

采用可调三靶超高真空磁控溅射系统，通过三靶共溅射制备Cr₂MnAl薄膜和纳米线阵列，本底真空度低于2.0×10^?4 Pa。制备样品所用的Cr、Mn和Al靶材由纯度高于99.9%的纯金属制成。薄膜制备所用基底为玻璃，纳米线阵列制备则采用不同孔径的AAO模板。溅射过程中的氩气压力保持恒定。

Structure and morphology

图1展示了不同生长温度下在玻璃基底上制备的Cr₂MnAl薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。对于生长温度低于450°C的样品，可清晰观察到Hg₂CuTi结构极强的主衍射峰（220峰），而其他主衍射峰强度非常弱。这表明在该温度范围内生长的样品结晶良好，薄膜具有极强的（220）取向。未观察到其他杂相峰。

Conclusion

通过持续优化制备工艺，我们成功合成了具有高度有序Hg₂CuTi型结构的单相Cr₂MnAl薄膜，并结合AAO模板合成出Cr₂MnAl纳米线阵列。样品具有金字塔状晶粒，晶粒生长呈现极强的（220）取向。其饱和磁化强度与理论总磁矩基本一致，矫顽力非常小。电子结构分析表明费米能级附近存在高度局域态，导致电阻率随温度升高而降低。纳米线阵列展现出沿生长方向的易磁化轴，具有显著垂直磁各向异性。本研究为开发基于Cr₂MnAl的高性能自旋电子器件奠定了材料基础。