磁性半金屬（half metal）是一類重要的自旋電子學(xué)材料，具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)。其中一種自旋取向（如自旋向上）的電子打開能隙，不參與導(dǎo)電；而另一種自旋取向（如自旋向下）的電子穿過費(fèi)米面，參與導(dǎo)電。因此，理論上半金屬具有100%自旋極化的載流子，在先進(jìn)磁記錄、磁存儲、高效磁傳感器、自旋發(fā)光二極管等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。要實(shí)現(xiàn)半金屬的應(yīng)用，一方面需要材料具有室溫以上的居里溫度（T_C）；另一方面為防止熱激活效應(yīng)激發(fā)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(yōu)越的半金屬材料是一個重大挑戰(zhàn)。 

　　近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室M08組研究員龍有文團(tuán)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_C、寬自旋帶隙E_g （2.3 eV）以及大飽和磁矩M_N （8.0μB/f.u.）的鈣鈦礦半金屬LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂（LCFRO），該材料具有優(yōu)異的綜合性能，特別是其T_C高達(dá)710 K，是目前鈣鈦礦體系中T_C最高的半金屬，具有良好的應(yīng)用前景。 

　　在前期研究中，該團(tuán)隊利用高壓高溫手段獲得了新型鈣鈦礦物材料LaCu₃Co₂Re₂O₁₂。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T_C在室溫以下。為了進(jìn)一步提高半金屬材料的T_C，改善其綜合性能，基于海森堡模型，該團(tuán)隊將B位的Co²⁺離子替換成具有更多未配對電子的Fe³⁺離子，發(fā)揮高壓高溫合成優(yōu)勢，在9 GPa和1273 K的條件下成功制備了A位和B位同時高度有序的四重鈣鈦礦LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂。通過XRD、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及同步輻射X光吸收譜與磁圓二色譜等一系列結(jié)構(gòu)表征與綜合物性測試，同時與物理所研究員楊義峰團(tuán)隊合作，結(jié)合第一性原理計算，對LCFRO進(jìn)行了詳細(xì)研究。測試結(jié)果表明，LCFRO的電荷組態(tài)為LaCu²⁺₃Fe³⁺₂Re^4.5+₂O₁₂，具有Cu²⁺(↑)-Fe³⁺(↑)-Re^4.5+(↓)亞鐵磁的自旋排列方式，其T_C高達(dá)710 K，而在2 K，7 T條件下每個分子式具有8.0 μB的大飽和磁矩。電輸運(yùn)測試與比熱測試結(jié)果表明LCFRO具有巡游電子特征。此外，該材料“butterfly”型的磁電阻行為，預(yù)示著其自旋極化載流子源于多晶樣品間的隧穿效應(yīng)，與很多鈣鈦礦磁性半金屬類似。進(jìn)一步，通過第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)LCFRO自旋向上的能帶表現(xiàn)出絕緣體行為，帶隙高達(dá)2.3 eV；而自旋向下的能帶則表現(xiàn)出金屬行為，費(fèi)米能級EF附近態(tài)密度主要由Re離子貢獻(xiàn)。并且，理論計算中當(dāng)改變U_eff的大小時，并不改變LCFRO的半金屬本質(zhì)，只是能帶具體形貌和帶隙數(shù)值有輕微的變化。因此，實(shí)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標(biāo)參數(shù) α = T_C × E_g × M_N進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)在所有T_C大于室溫的氧化物半金屬材料中，LaCu₃Fe₂Re₂O₁₂具有最高的綜合性能指標(biāo)。