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二维TMN_2室温铁磁半金属材料的理论研究

刘俊艳  
【摘要】:自石墨烯发现以来,二维材料成为物理学、材料学、化学等诸多领域的研究热点。随着实验技术的进步,近年来实验合成了越来越多的类石墨烯二维材料,如硅烯、黑磷、过渡金属二硫化物等。由于奇异的物理、化学特性,这些纳米单层材料在诸多领域彰显出巨大的应用前景。然而,这些材料的本征态大多是非磁性的,亦或有磁性但铁磁耦合强度很弱而难以在室温下稳定存在。这极大地阻碍了二维材料在自旋电子学领域的应用。因此,通过第一性原理高通量计算,搜索具有室温稳定性的本征二维铁磁材料,特别是具有100%自旋极化的半金属铁磁材料,具有重要意义。不仅可以大幅缩短实验周期,加快低维自旋电子学器件开发进程,也将为深层的理论研究提供理想的物质平台。鉴于此,本文采用自旋极化的第一性原理计算方法,以新型二维纳米材料过渡金属二氮化物(TMN2)为研究对象,开展了以下理论计算研究:(1)在TMN2(TM=Ti-Fe,Zr-Ru,Hf-Os)的三十种备选结构中,利用高通量计算,搜索具有本征铁磁半金属性的稳定结构。结果表明,八配位的1T-TaN2单层结构不仅具有理想的动力学、热学、力学稳定性,而且因为N-N之间的直接交换作用而拥有稳定的铁磁态,且其居里温度高达339 K。此外,使用HSE06方法计算得到的半金属带隙为0.72 eV,这足以阻止由于热扰动引起的自旋翻转。与以往报道过的二维过渡金属化合物不同的是,1T-TaN2单层的半金属性及磁矩主要来源于非金属氮原子的p轨道而非过渡金属原子(Ta)的局域d轨道,这有益于克服因过渡金属原子间强自旋-轨道耦合作用引起的自旋弛豫时间短这一问题。二维1T-TaN2单层,有望成为下一代纳米自旋电子器件的理想材料。(2)在纳米自旋电子学中,同时拥有100%自旋极化,高速的传导电子,高的居里温度,以及稳定铁磁基态的材料一直是人们寻找的目标。第一性原理计算表明具有八配位的YN2单层是一种新型的p态狄拉克半金属一一种自旋方向的能带为半导体,另一种自旋方向的能带具有狄拉克锥。它不仅具有单自旋狄拉克态,而且拥有较已报道过的狄拉克半金属材料都大的费米速度。与1T-TaN2类似,1T-YN2同样具有能够克服热扰自旋翻转的大半金属带隙(1.53 eV,HSE06)。基于平均场理论的估算表明1T-YN2单层的居里温度大于室温(332KTc823 K),这源自1T-YN2结构中非局域N-N之间的直接交换作用所产生的强铁磁耦合。此外,我们的计算还表明,这种强铁磁耦合基态在弱的载流子掺杂及应变作用下依然能保持稳定。


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