磁性半金屬（half metal）是一類重要的自旋電子學材料，具有獨特的能帶結構。其中一種自旋取向（如自旋向上）的電子打開能隙，不參與導電；而另一種自旋取向（如自旋向下）的電子穿過費米面，參與導電。因此，理論上半金屬具有100%自旋極化的載流子，在先進磁記錄、磁存儲、高效磁傳感器、自旋發光二極管等諸多領域具有廣闊的應用前景。要實現半金屬的應用，一方面需要材料具有室溫以上的居裡溫度T；另一方面為防止熱激活效應激發禁帶載流子降低極化率，需要具有寬的半金屬帶隙（> 1.5 eV）；此外，為提高自旋注入率，需要較大的飽和磁矩。然而，目前已有的半金屬難以同時滿足上述要求，研制綜合性能優越的半金屬材料是一個重大挑戰。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M08組龍有文研究員團隊利用高壓高溫手段成功制備了一種兼具高磁相變溫度T、寬自旋帶隙E （2.3 eV）以及大飽和磁矩M （8.0μ/f.u.）的鈣钛礦半金屬LaCuFeReO（LCFRO），具有優異的綜合性能，特别是該材料的居裡溫度高達710 K，是目前鈣钛礦體系中Tc最高的半金屬，具有良好的應用前景。

在前期研究中，龍有文團隊利用高壓高溫手段獲得了新型鈣钛礦物材料LaCuCoReO [Appl. Phys. Lett. 117，152402，（2020）, Editor's Picks]。該材料具有寬的自旋帶隙（1.9 eV）、近100%的B位有序度以及比同類材料更大的低場磁電阻，但遺憾的是居裡溫度在室溫以下。為了進一步提高半金屬材料的Tc，改善其綜合性能，基于海森堡模型 ，該團隊将B位的Co離子替換成具有更多未配對電子的Fe離子，發揮高壓高溫合成優勢，在9 GPa和1273K的條件下成功制備了A位和B位同時高度有序的四重鈣钛礦LaCuFeReO。通過XRD、磁學、電學、熱學以及同步輻射X光吸收譜與磁圓二色譜等一系列結構表征與綜合物性測試，同時與極端條件物理重點實驗室EX9組楊義峰研究員團隊合作，結合第一性原理計算，對LCFRO進行了詳細研究。測試結果表明，LCFRO的電荷組态為LaCuFeReO，具有Cu(↑)-Fe(↑)-Re(↓)亞鐵磁的自旋排列方式，其居裡溫度Tc高達710 K，而在2 K，7 T條件下每個分子式具有8.0 μ的大飽和磁矩。電輸運測試與比熱測試結果表明LCFRO具有巡遊電子特征。此外，該材料“butterfly”型的磁電阻行為，預示着其自旋極化載流子源于多晶樣品間的隧穿效應，與很多鈣钛礦磁性半金屬類似。進一步，通過第一性原理計算，發現LCFRO自旋向上的能帶表現出絕緣體行為，帶隙高達2.3 eV；而自旋向下的能帶則表現出金屬行為，費米能級E附近态密度主要由Re離子貢獻。并且，理論計算中當改變U的大小時，并不改變LCFRO的半金屬本質，隻是能帶具體形貌和帶隙數值有輕微的變化。因此，實驗與理論均證明了LCFRO的半金屬性。如果定義半金屬綜合性能指标參數 α = T × E × M進行比較時，發現在所有Tc大于室溫的氧化物半金屬材料中，LaCuFeReO具有最高的綜合性能指标。

該材料的制備與研究提供了一個高性能磁性半金屬的範例，為探索具有實際應用前景的半金屬材料提供了新的思路。相關成果以“Realization of a Half Metal with a Record-High Curie Temperature in Perovskite Oxides”為标題已在線發表在《Advanced Materials》上，并且被選為“Inside Back Cover”；同時該成果也已授權國家發明專利。文章的第一作者為中科院物理所博士後劉哲宏（博新計劃獲得者），通訊作者為中科院物理所楊義峰研究員和龍有文研究員。本研究工作獲得了德國馬普所Z. W. Hu博士等團隊的密切合作。該工作獲得了科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、中國科學院、國家博士後創新人才支持計劃等項目的資助。

圖1：本工作被Adv. Marter.選為Inside Back Cover，并已授權國家發明專利。

圖2：新型A、B位有序四重鈣钛礦LaCuFeReO的XRD精修圖和晶體結構示意圖。

圖3：LaCuFeReO的磁性随溫度和外磁場的變化關系。

編輯：fiufiu

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