二維TMN2室溫鐵磁半金屬材料的理論研究.pdf

1、自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料成為物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，近年來實(shí)驗(yàn)合成了越來越多的類石墨烯二維材料，如硅烯、黑磷、過渡金屬二硫化物等。由于奇異的物理、化學(xué)特性，這些納米單層材料在諸多領(lǐng)域彰顯出巨大的應(yīng)用前景。然而，這些材料的本征態(tài)大多是非磁性的，亦或有磁性但鐵磁耦合強(qiáng)度很弱而難以在室溫下穩(wěn)定存在。這極大地阻礙了二維材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，通過第一性原理高通量計(jì)算，搜索具有室溫穩(wěn)定性的本征二維

2、鐵磁材料，特別是具有100％自旋極化的半金屬鐵磁材料，具有重要意義。不僅可以大幅縮短實(shí)驗(yàn)周期，加快低維自旋電子學(xué)器件開發(fā)進(jìn)程，也將為深層的理論研究提供理想的物質(zhì)平臺(tái)。鑒于此，本文采用自旋極化的第一性原理計(jì)算方法，以新型二維納米材料過渡金屬二氮化物(TMN2)為研究對象，開展了以下理論計(jì)算研究:
　　(1)在TMN2（TM=Ti-Fe，Zr-Ru，Hf-Os）的三十種備選結(jié)構(gòu)中，利用高通量計(jì)算，搜索具有本征鐵磁半金屬性的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)

3、果表明，八配位的1T-TaN2單層結(jié)構(gòu)不僅具有理想的動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性，而且因?yàn)镹-N之間的直接交換作用而擁有穩(wěn)定的鐵磁態(tài)，且其居里溫度高達(dá)339 K。此外，使用HSE06方法計(jì)算得到的半金屬帶隙為0.72 eV，這足以阻止由于熱擾動(dòng)引起的自旋翻轉(zhuǎn)。與以往報(bào)道過的二維過渡金屬化合物不同的是，1T-TaN2單層的半金屬性及磁矩主要來源于非金屬氮原予的p軌道而非過渡金屬原子(Ta)的局域d軌道，這有益于克服因過渡金屬原子間強(qiáng)自旋-軌道

4、耦合作用引起的自旋弛豫時(shí)間短這一問題。二維1T-TaN2單層，有望成為下一代納米自旋電子器件的理想材料。
　　(2)在納米自旋電子學(xué)中，同時(shí)擁有100％自旋極化，高速的傳導(dǎo)電子，高的居里溫度，以及穩(wěn)定鐵磁基態(tài)的材料一直是人們尋找的目標(biāo)。第一性原理計(jì)算表明具有八配位的YN2單層是一種新型的p態(tài)狄拉克半金屬—一種自旋方向的能帶為半導(dǎo)體，另一種自旋方向的能帶具有狄拉克錐。它不僅具有單自旋狄拉克態(tài)，而且擁有較已報(bào)道過的狄拉克半金屬材料都大