halfmetalen

Halfmetalen zijn materialen die bij de Fermi-energie voor elektronen met één spinrichting een metallische toestand hebben en voor de tegenovergestelde spinrichting een bandgap of een aanzienlijk energetisch drempelniveau. In ideale halfmetalen ligt de Fermi-niveau in een bandgap voor één spin, waardoor de elektronische toestanden bij de Fermi-niveau volledig gepolariseerd zijn en de spinpolarisatie benaderend 100% kan zijn. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor spintronische toepassingen, waar het doel is om spinpolarisatie bij de ladingstransport te maximaliseren.

De halfmetalliciteit is geworteld in de bandstructuur en de exchange-splitting van de magnetische orde. Praktisch gezien geldt dat de mate van spinpolarisatie sterk afhankelijk is van kristallijne orde, stoichiometrie en defecten. Afwijkingen zoals antisite-activiteiten of stof- en oppervlaktestructuren kunnen leiden tot in-gap toestanden en verlies van hoge spinpolarisatie bij de Fermi-niveau.

Veel voorkomende halfmetalen zijn onder meer Heusler-alloys zoals NiMnSb, Co2MnSi en Co2MnGe, die vaak een L21- of gerelateerde ordeningsstructuur hebben enroomtemperatuurferromagneetische eigenschappen vertonen. Ook oxide-voorbeelden zoals CrO2 en magnetiet Fe3O4 worden genoemd als klassiek of nabij-halfmetaal, hoewel de mate van halfmetalliciteit hier afhankelijk is van factoren zoals temperatuur en kwaliteit van de kristalstructuur.

Toepassingen bevinden zich vooral in de spintroniek: spininjectie naar halfgeleiders, magneto-resistieve geheugen (MRAM), legeringen en sensortechnologie waarin een hoge spinpolarisatie van essentieel belang is. Uitdagingen omvatten het behoud van hoge spinpolarisatie bij operationele temperaturen en interfaces, evenals synthese en groei met gecontroleerde kristallisatie en minimale defecten.

---