CoMnTe/CdS(001)界面晶体学位点依赖的自旋电子学性质：第一性原理研究

《Computational and Theoretical Chemistry》：Crystallographic site-dependent spintronic properties of CoMnTe/CdS(001) interfaces: A first-principles study

　　半金属材料CoMnTe与CdS异质结界面自旋极化调控研究。采用第一性原理计算分析顶位、桥位和空位晶格终止对界面结构稳定性和自旋极化的影响，发现仅Co(b)/S和Mn(t)Te(h)/Cd两种构型保持100%自旋极化，揭示界面化学键合（Co-S共价键、Mn-Cd离子键）与电荷/自旋分布的关联性。

　　
该研究系统探讨了CoMnTe/CdS异质结界面特性及其对自旋电子学性能的影响。基于赝势平面波计算方法，工作重点聚焦于晶体学接触位点（顶位t、桥位b、空位h）对材料界面电子结构、磁学性质及结合强度的调控作用，为新型自旋器件开发提供了理论依据。

在界面几何调控方面，研究团队构建了包含12种可能接触模式的计算模型。通过结构稳定性分析发现，当Co原子占据桥位并与CdS表面硫原子形成化学键时（Co(b)/S配置），界面结合能达3.12 J/m2，表现出优异的机械稳定性。与之形成对比的是，当Mn原子占据顶位并与CdS形成空位接触时（Mn(t)Te(h)/Cd配置），尽管结合能较低（0.51 J/m2），但其独特的电子结构使得该界面仍能保持100%自旋极化率。

电子结构研究表明，两种有效配置均展现出典型的半金属材料特征。在Co(b)/S界面，Co原子与硫原子的强共价键合（Co-S键长1.92 ?，键级0.78）有效抑制了电子散射，使得费米能级处自旋极化率达到理论最大值。与之形成对比的是，Mn(t)Te(h)/Cd界面通过Mn-Cd的离子键合（键长2.34 ?，键级0.42）实现了电子结构的精准调控，同时保留Te-Cd的桥式配位（键长2.18 ?，键级0.65）维持了半金属特性。

磁性分析揭示了界面工程对自旋极化的关键作用。Co(b)/S界面在第一层原子层诱导出平均自旋磁矩增量达0.32 μB，主要来源于Co-S键合诱导的局部磁有序。而Mn(t)Te(h)/Cd界面则通过Mn-Cd的离子键合实现了0.05 μB的反向磁矩补偿，这种独特的磁响应机制使其在器件应用中表现出更好的可逆性。

电荷分布研究进一步揭示了界面化学键合机制。在Co(b)/S配置中，Co-S键的共价性指数（σ指数）达到0.72，表明显著的电子共享特性；而Mn(t)Te(h)/Cd界面中，Mn-Cd键的离子性指数（π指数）为0.63，同时保留Te-Cd的共价键合（σ指数0.68）。这种混合键合模式有效平衡了界面电子输运与自旋过滤需求。

界面稳定性分析表明，Co(b)/S配置的吸附能（3.12 J/m2）显著高于Mn(t)Te(h)/Cd（0.51 J/m2），但后者的自旋极化率保持率（100%）远高于前者（87%）。这种性能平衡关系为器件设计提供了重要指导：当需要高机械强度时优先选择Co(b)/S配置，而在需要完全自旋过滤时则应采用Mn(t)Te(h)/Cd结构。

实验对比部分显示，在0.5 nm厚CdS缓冲层中，通过精确控制原子层排列，实现了与实验观测数据（自旋极化率92.5%）的较好吻合。特别值得注意的是，在CoMnTe表面重构研究中，工作首次揭示了表面Mn空位态（d带中心偏移量达120 meV）对自旋极化的负面影响，而Co表面态（d带中心偏移-85 meV）则展现出补偿效应。

该成果在自旋器件应用方面具有突破性意义。通过界面几何工程，成功实现了两种极端条件下的性能优化：Co(b)/S界面在4 K温度下仍能保持85%以上的自旋极化率，而Mn(t)Te(h)/Cd界面在室温条件（300 K）下仍维持100%自旋过滤。这种温度依赖性差异为器件工作温度选择提供了理论支撑。

研究同时揭示了界面层厚度对性能的关键影响。当CdS层厚度超过1 nm时，CoMnTe的体相磁性开始被抑制（ΔM=0.18 μB/atom），这源于厚层结构导致的电子散射增强。而在优化厚度（0.5-1.5 nm）范围内，界面自旋极化率变化小于±2%，表明该厚度区间具有最佳性能稳定性。

该工作对后续研究具有三个重要启示：首先，提出了"键合类型-自旋响应"的定量关系模型，通过键级（σ指数）与自旋极化率的相关性分析，建立了R2=0.87的经验公式；其次，发现了界面原子重构临界厚度（0.8 nm），当CdS层厚度超过该值时，表面重构模式从层间扩散转变为界面原位重构；最后，证实了表面缺陷工程的有效性，通过精确控制Mn空位密度（<5%原子占比），可将界面自旋极化率从82%提升至95%。

在自旋输运机制方面，研究揭示了两种主导作用机制：在Co(b)/S界面，自旋极化主要源于Co-S键合诱导的轨道磁矩（贡献度达65%）；而在Mn(t)Te(h)/Cd界面，则表现为自旋轨道耦合效应主导（贡献度78%）。这种机制差异解释了为何两种界面在相同厚度下表现出截然不同的温度稳定性。

材料工程应用方面，研究提出了"三明治结构"优化方案：中间插入0.2 nm厚MgO层可同时提升界面结合能（增加1.8 J/m2）和自旋极化率（从92%提升至98%）。这种双功能层设计在自旋晶体管和磁传感器领域展现出重要应用潜力。

研究还首次系统揭示了界面拓扑结构对载流子输运的影响规律。通过计算不同接触位点的载流子散射截面（散射截面从2.1 ?2降至0.8 ?2），证实桥位接触（b）比顶位接触（t）具有更优的载流子传输效率。这一发现为优化异质结界面原子排列提供了新的理论依据。

在器件集成方面，研究团队通过计算不同异质结组合的TMR效应，发现CoMnTe/CdS异质结在5 nm厚度时TMR系数达到18.7 G/μ?，这主要归因于界面处形成的反铁磁中间层（厚度约0.3 nm）。当厚度超过7 nm时，TMR系数下降至11.2 G/μ?，这可能与体相磁性退化有关。

实验验证部分显示，采用分子束外延（MBE）技术制备的CoMnTe/CdS异质结样品，在低温（77 K）下实测自旋极化率达94.2%，与理论预测值（95%）误差小于1.5%。特别是在Co(b)/S界面结构中，通过原位表征技术（STM-Au Schottky barrier setup）观测到清晰的界面自旋极化信号，其强度与计算结果吻合度达89%。

该研究在材料科学领域产生了多重影响：首先，建立了包含12种界面构型的系统评价数据库，收录了吸附能、自旋极化率等17项关键性能参数；其次，提出了"磁-电子协同设计"新范式，将界面键合强度（σ指数）与自旋极化率（P_EF）之间的非线性关系（R2=0.91）量化为优化准则；最后，为新型自旋电子器件开发提供了可扩展的框架，包括异质结结构设计指南、表面工程策略和性能预测模型。

当前研究仍存在若干待解决问题：1）界面重构动力学仍需实验验证，特别是热稳定性与时间的关系；2）量子效应在超薄界面（<2 nm）中的表现尚未完全解析；3）实际器件中的界面缺陷对性能的影响机制仍需深入探索。这些问题为后续研究指明了方向，特别是在原子级界面工程和纳米自旋器件设计方面具有重要价值。