ACS 编辑良择 ǀ 二维本征铁磁半导体-碱基铬硫族化合物

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英文原题: Intrinsic Ferromagnetic Semiconductors in Two-Dimensional Alkali-based Chromium Chalcogenides

通讯作者:吴小志, 重庆大学;徐虎,南方科技大学

作者:Wangping Xu (许望平), Sajjad Ali, Yuanjun Jin (金元俊), Xiaozhi Wu (吴小志), Hu Xu (徐虎)


二维本征铁磁半导体材料在磁光、磁电、自旋电子学等领域具有非常好的应用前景。到目前为止,在理论上已经预测了大量的二维本征铁磁半导体候选材料(e.g., MAY3, MBY3, MY3, MY2, MY, MnNC/MnYC, and MC3, (M = V, Cr to Ni; A, B, Y, C = group-IV, -V, -VI & group-VII elements))。相对而言,在实验上观测到的二维本征铁磁半导体材料则非常稀少[例如CrX3(X=Cl, Br and I)和Ge2Cr2Te6等]。从已有块体磁性材料中剥离出层状的铁磁半导体是一种可行的方案。在这个工作中,通过第一性原理计算确定了层状XCrY2 (X = Li and Na; Y = S, Se, and Te)为本征铁磁半导体材料。用海森堡模型计算得到这类材料的居里温度最高可达285 K。另外,通过高精度杂化泛函计算发现LiCrSe2, NaCrSe2 和NaCrTe2 都是直接带隙半导体。此外,研究发现自旋轨道耦合效应可以降低空穴的有效质量,从而使得空穴的载流子迁移率增强(达到了3 × 103 cm2v-1s-1)。

图1. 二维XCrY2结构图。(a)为俯视图,(b)为侧视图,(c)为第一布里渊区。

图2. 二维XCrY2声子谱分析。

结构及稳定性分析在这个工作中,所计算的单层结构都有对应的体相。虽然计算得到的二维XCrY2解离能较大,但是实验研究表明可以较为容易的从NaCrS2块体中解离得到(001)面 [J. Cryst. Growth, 24, 669 (1974)]。同时声子谱和分子动力学模拟均表明二维XCrY2在常温下是稳定的。


性质研究:对于二维磁性材料而言,确定相应的磁基态至关重要。在这个工作中,选取了多个大小不同的超胞,通过采用不同的U值及HSE06计算对可能的磁结构进行了系统研究,计算结果表明铁磁结构的能量最低。另外,分别采用Ising模型和Heisenberg模型计算了二维XCrY2的居里温度,发现海森堡模型给出的居里温度仅是伊辛模型的1/3,通常海森堡模型得到的居里温度更接近实验结果。

图3. HSE06计算铁磁半导体的能带结构。

采用高精度HSE06计算了二维XCrY2的电子性质。计算结果表明LiCrSe2,NaCrSe2和NaCrTe2属于直接带隙铁磁半导体。同时考虑了自旋轨道耦合对能带的影响,并发现自旋轨道耦合能有效的降低空穴的有效质量,从而增强空穴的载流子迁移率。

本研究的相关结果已发表于ACS Applied Electronic Materials,并被选为 ACS Editors’ Choice 进行报道。本项目得到了国家自然科学基金和南方科技大学科学与工程计算中心等资助和支持。


ACS Appl. Electron. Mater. 2020, 2, 12, 3853–3858

Publication Date: November 20, 2020

https://doi.org/10.1021/acsaelm.0c00686

Copyright © 2020 American Chemical Society


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