多维有序铁磁性半金属构筑及其自旋电子结构调控

Ferromagnetic semi-metallic nanoparticles as the functional primitive, regulate the nanocrystalline crystal configuration, orientation, defect elimination and grain boundary barrier using high pressure and high temperature technology, and construct multi-dimensional ordered semi-metallic materials assembled by definite orientation nanocrystalline crystal and grain boundary barrier. The electronic structures of multi-dimensional ordered ferromagnetic semi-metallic materials of Mo, W, Sn and Pb chorionic compounds are studied, and the experimental conditions and physical mechanism of room temperature ferromagnetic and wide semi-metallic band gaps caused by doping and high pressure are explored. By utilizing the synergistic effect of functional primitive sequence structure, the precession, inversion and multi-resistance of magnetic moments caused by different frequencies, amplitudes and phases of fully spin-polarized carriers are regulated. Meanwhile the physical mechanism and control methods of spin-polarized current performance parameters related to multi-dimensional ordered ferromagnetic semi-metallic electronic structures are clarified, achieving uniform conductivity and continuously adjustable functional design with non-linear, non-volatile, low power and polymorphic storage characteristics, which lays an important material foundation for ultra-low power, efficient artificial intelligence technology and quantum spin devices.

以铁磁性半金属纳米颗粒为功能基元，利用高压高温技术调控纳米晶晶体构型、取向、缺陷修复、晶界势垒，构筑结晶取向确定的纳米晶和晶界势垒组成多维有序铁磁性半金属材料。研究以Mo、W、Sn和Pb硫族化合物离子掺杂制备铁磁性半金属纳米颗粒为功能基元，高压高温调制多维有序铁磁性半金属结构，研究层状硫族化合物构筑的结晶取向确定的纳米铁磁性半金属和晶界势垒组成多维有序铁磁性半金属材料；探索掺杂和高压引起室温铁磁性和较宽半金属带隙的实验条件和物理机制；利用功能基元序构协同效应，研究基于完全自旋极化的载流子引起磁矩的进动、翻转和晶界势垒隧穿；调控完全自旋极化的载流子不同频率、振幅和相位引起多阻态，澄清自旋极化电流性能参数与多维有序铁磁性半金属电子结构相关的物理机制和调控方法，实现电导均匀、连续可调的非线性、非易失、低功耗、多态存储特性的功能设计，为超低功耗，高效的人工智能技术和量子自旋器件

利用载流子自旋自由度的铁磁半金属是一种新型的功能材料，磁性半金属（half metal）具有非常独特的电子结构，提供完全自旋极化的载流子，是一类重要的自旋电子学材料。通过高压高温技术，制备出稀土离子铽（Tb）掺杂的Ag2S、稀土离子钐（Sm）掺杂SnO具有室温铁磁性的半金属材料。在硫族化合物掺杂稀土离子，改变了空间反演对称性，导致的自旋劈裂，形成稀土离子为中心的磁畴。掌握了以磁畴为功能基元，构筑多维有序铁磁性半金属材料结构的制备技术。当自旋极化电流，流经铁磁导体时，将其携带的自旋角动量传递给局域磁矩，对磁矩施加一个自旋转移扭矩作用，使磁矩产生持续的进动。利用脉冲电流时，磁畴壁根据电流方向前后移动，脉冲电流的频率引起磁电阻变化。通过改变限制电流、脉冲宽度、脉冲电压幅值探索出多级存储功能，每种不同的电阻状态都具有良好的循环耐久性。同时，不同的扫描电压下，实现了稳定的多级忆容特性。铁磁半金属材料是高效的人工智能技术和量子自旋器件的重要基础材料。

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