三.铁氮材料磁结构的分析.docVIP

§3.1 引言 自旋电子学可以分为自旋注入，自旋输运以及自旋探测三大部分，其中自旋注入与自旋探测都依赖于注入层和探测层材料具有铁磁性。如绪论中所述，要将半导体光电器件与自旋电子学结合起来，就必须令具有铁磁性的自旋注入层与探测层材料能够很好地与半导体工业结合起来。但是由于传统的铁磁性材料，如金属铁，镍等与半导体材料的晶格失配太大，无法集成到半导体光电器件中，所以研究工作者们将希望寄托在了既具有铁磁性又能与半导体材料晶格匹配的材料—稀磁性化合物半导体上。但是经过一系列的研究发现，稀磁性化合物半导体，例如掺Mn的GaN薄膜中的磁性来源无法解释清楚，在理论上无法确定该类材料是否可以投入到实际应用中，是否可以找到合适的铁磁性材料又成了一个谜题。 这时，研究工作者们将目光转向了一类古老而又崭新的材料—铁氮化合物材料。早在20世纪20年代，人们就开始研究这类材料了，但那时是因为它们具有改善表面硬度和耐磨性的作用。随着研究的深入与扩展，人们发现该类材料中有3种具有室温铁磁性的材料ε-Fe3N，α″-Fe16N2与γ′-Fe4N，并着重对这三种材料的磁学性质进行了研究。研究表明，它们的磁性都比较强，尤其是α″-Fe16N2的饱和磁矩甚至要高于金属铁。近来，研究工作者们发现ε-Fe3N与GaN和AlN等III-V族化合物半导体的晶格匹配比较好，于是将ε-Fe3N作为自旋材料成为了一个研究热点。至今为止，ε-Fe3N已经成功地利用MBE和MOCVD方法分别外延到了AlN和GaN衬底上。然而，在已经报道的文献中，ε-Fe3N，α″-Fe16N2与γ′-Fe4N的磁结构还有一些争论或者难题没有解决，所以下面我们要利用朗道二级相变理论以及色群理论来分析ε-Fe3N，α″-Fe16N2与γ′-Fe4N的磁结构。 §3.1.1色点群 众所周知，对于所有的固体材料的结构对称性，可以分为32个点群和230个空间群。但是，对于磁性或者铁电材料，在材料中的磁化强度或者电偶极矩会对具有一定的对称性，如果考虑到这个对称性，那么32个点群和230个空间群就难以描写全部的磁性或者铁电材料的对称性了。为此，数学家和理论物理学家们在原有的晶体群的操作中加入了一个新的操作θ—时间反演操作，这个操作是一个反对称操作，它的作用是可以令磁化强度反转方向。加入这个操作后，原有的点群和空间群种类被大大扩展，人们称之为色点群和色空间群[]。 根据后面对铁氮材料分析的需要，我们着重介绍下色点群的知识[]。如果G 是原先32个原始点群中的其中之一，那么由它可以衍生出3类磁点群，分别定义为Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类色点群： Ⅰ类色点群是原始点群，共32种。 Ⅱ类色点群是灰色点群，共32种。 Ⅲ类色点群是黑白点群，共58种。 因此色点群一共有32+32+58=122种。 第一类色点群就是原始点群，这里就不赘述了。 第二类色点群灰色点群，M，可以如下给出 M = G + θG (E3-1) 其中G是原始点群。 很明显，一个原始点群对应着一个灰色点群，所以共有32个灰色点群。原始点群与灰色点群的差别就是前者没有反对称操作θ，而后者包含这个操作。所以M也可以写为 M = G ({ E + θ } (E3-2) 其中E代表不变操作。 在第三类色点群，即黑白点群中，θ并不是单独的一个操作，而是作为操作的一部分。黑白点群M是这样构成的，对于一个原始点群G，其中一半的操作仍然作为新黑白点群的操作，而另一半的操作再组合上时间反演操作θ构成了黑白点群的另一半操作。对于一个原始点群G可以有几种选择半子群的方式，所以黑白点群不只32个，实际上是58个。黑白点群M写为数学表示式就是 M = H + θ(G - H) (E3-3) 其中H是原始点群G的半子群。 下面我们举例说明黑白点群是如何得到的。比如初始点群是4mm，这个点群的操作是正方形的对称性。如果一个正方形画在一张纸上，如图3-1所示，那么它具有的对称性有E，C4z+，C4z-，C2z，σx，σy，σda与σdb。如果这个正方形上被任意地涂上黑色或者白色，那么除了不变操作E之外，其它的对称性都被破坏了。但是如果按照图3-2(a)那样有规则地在一半面积涂上黑色，另一半涂为白色的话，八个操作中会有四个仍然保留并构成着色正方形的对称操作。具体地说，E，C2z，σx和σy仍然是图3-2(a)中正方形的对称操作，而另外四个不再是对称操作；比如C4z+，将图3-2(a)中的正方形顺时针旋转90度