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新型二維磁性CrOX與Cr2C半導體材料的第一性原理研究
[發布日期:2018-06-07  點擊次數:1985]

基于鐵磁半導體的自旋電子器件,如非易失磁存儲器,具有功耗低、操作速度快、存儲密度高和數據保持力強等優勢,且可望將存儲和計算融為一體,在未來信息技術和量子計算等領域具有廣闊的應用前景。二維磁性半導體材料對提高自旋電子器件性能至關重要,然而,大多數二維材料,包括石墨烯等,都不具有本征鐵磁性,需要通過摻雜改性等方法引入磁性。因此,尋找高居里溫度的新型二維磁性半導體將為自旋電子器件的研究提供重要基礎。北京航空航天大學孫志梅教授團隊在二維磁性半導體材料方面的研究取得進展,主要包括以下兩方面的內容。(1)通過第一性原理計算和第一性原理分子動力學模擬等方法,我們提出了一種獲取二維本征鐵磁半導體的新途徑,即通過剝離反鐵磁的范德瓦爾斯半導體獲得單層鐵磁半導體;并預測了一類新型二維本征鐵磁半導體—單層CrOCl和CrOBr材料,其居里溫度遠高于文獻報道的二維CrI3Cr2Ge2Te6。計算結果表明,該系列二維材料可以采用類似制備石墨烯的機械剝離法獲得,具有良好的動力學和熱力學穩定性。該工作為發展新型二維本征鐵磁體提供了新思路,所預測的二維鐵磁CrOCl和CrOBr材料有望應用于未來自旋電子器件。(2)半金屬鐵磁性二維Cr2C晶體的預測及其表面功能化誘導的金屬-絕緣體相變。基于雜化泛函密度理論,我們在MXene家族中預測了第一個半金屬鐵磁體材料,且具有可調的電子性質和磁性的Cr2C,其電荷輸運完全由自旋向上的電子所主導,即通過Cr2C的電子流將是100%自旋極化的。Cr2C的半金屬帶隙高達2.85 eV,保證了100%自旋過濾特性可以在一個大的偏壓范圍內應用。當Cr2C的表面被F、OH、H或者Cl原子基團飽和后,Cr2C將經歷從金屬到絕緣體的轉變,同時伴隨鐵磁到反鐵磁的轉變。因此,通過控制表面功能化原子基團種類,可以很好地控制反鐵磁態的能隙寬度。

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