新型Janus二维材料VSiN_(3)电子结构和电极化特性的理论研究

由于存在本征的电极化和内建电场,Janus二维材料可作为潜在的光催化水分离、太阳能电池和“自旋–谷”电子材料.然而,目前实现Janus二维材料的主要方法为采用同族元素进行表面原子替换,而固有Janus构型的二维材料却鲜有报道.通过第一性原理计算,文章系统地研究了一种新型稳定的Janus二维材料VSiN_(3)的电极化特性和电子特性.它的表面功函数差异可达0.93 eV,估算的内建电场强度为0.21 eV/Å.进一步的电子结构计算表明,VSiN_(3)是本征的间接带隙半导体,其禁带宽度为1.70 eV.研究发现VSiN_(3)的价带顶和导带底存在van Hove反常,可以通过载流子掺杂实现Stoner铁磁相变.通过对VSiN_(3)的电子结构及其应力效应的深入分析,得出VSiN_(3)能够作为优秀的二维电子材料和Stoner铁磁相变材料.

基于二维JanusGeS双层铁电隧道结的电子输运

二维范德华Janus材料两侧为不同原子,使得其具有内禀的结构不对称性和面外极化。一类新型的二维Janus材料GeS被发现可用于制备低能耗、高响应速度的铁电隧道结。基于第一性原理计算,我们发现JanusGeS双层有三种堆叠模式,它们的横向滑动和垂直位移都可以调节隧道结中的电子输运。此外,基于GeGe接触的GeS双层的铁电隧道结表现出最高的开/关比。我们的研究将滑移铁电的概念扩展到一类新型的二维范德华Janus材料,并揭示了这些材料在实际器件中可能的电阻开关机制。我们的工作为基于二维范德华Janus材料的低能耗、快速开关纳米器件的设计提供了理论指导。

基于二维磁性材料的自旋轨道力矩研究进展

信息技术的高速发展对信息处理与存储器件的性能提出了更高的要求.同时,随着器件尺寸不断减小,传统基于电子电荷属性的半导体器件面临热耗散和量子尺寸效应的难题与挑战,半导体技术也由此进入后摩尔时代.区别于传统基于电荷的电子器件,基于自旋属性的非易失性自旋电子器件不但具有较高的集成度、读写速度及读写次数,而且可有效避免热耗散,为信息存储、处理和通信等领域的发展构建了新的技术平台.近年来,二维材料凭借其独特的能带结构和丰富的物理性质而备受关注,特别是二维磁性材料体系在自旋电子学领域展现出极大的研究潜力和应用价值.本文首先介绍了二维材料常见制备方法,聚焦概述了二维磁性材料在自旋轨道电子学领域中的研究进展,最后对本领域研究进行了展望.

有机阳离子插层调控二维反铁磁MPX_(3)磁性能

电控磁效应调控二维(2D)反铁磁(AFM)材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势,2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势,成为领域内研究的重点.载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制,已被证明是调控材料磁性能的有效途径.层内AFM材料的净磁矩为零,磁性调控测量存在挑战,故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚.基于有机阳离子的多样性,本文利用有机阳离子插层系统地调控了2D层内AFM材料MPX_(3)(M=Mn,Fe,Ni;X=S,Se)的载流子浓度,并研究了电子掺杂对其磁性能的影响.笔者在MPX_(3)家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁(FIM)/铁磁(FM)的转变,并结合理论计算揭示了其调控机制.本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解,并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.

二维Janus型铬硫化物电子和压电性质研究

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物[Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)]的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料,其带隙宽度为0.27~0.83 eV,x轴方向的应变调控对带隙影响较大,而z轴方向的应变调控对带隙影响很小,说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究,结果表明,三种材料均具有较大的面外压电系数d33,特别是CrSeTe的d33可达56.89 pm/V,约是常用压电材料AlN(d33=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。

二维Janus单层Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)的热电性能

Janus结构在热电材料中具有实际的应用价值,近年来其成功制备引起了广泛的关注。从理论上研究了二维(2D)Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层的热电性能。Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层是直接带隙半导体,带隙为2.01 eV。在300 K下,电子和空穴载流子迁移率分别为1379.66和300.14 cm^(2)V^(-1)s^(-1)。在室温下晶格热导率κ_(1)为8.31 Wm^(-1)K^(-1)。此外,在恰当掺杂载流子浓度下,800 K时Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)的n型和p型最大热电优值zT分别为2.24和0.91。计算结果表明,Janus Mg_(2)P_(2)S_(3)Se_(3)单层是一种潜在的n型候补热电材料。

单层Janus结构CoXY(X,Y=Cl,Br,I;X≠Y)中磁斯格明子的第一性原理研究

目的开发新型二维Janus结构CoXY(X,Y=Cl,Br,I;X≠Y),分析其磁学性质,为二维磁性Janus材料研究提供新思路。方法通过使用基于密度泛函理论的第一性原理计算,得到CoXY的磁性参数,用蒙特卡洛模拟,模拟出不同外加磁场下的磁构型。结果通过蒙特卡洛模拟,CoXY结构中能够出现稳定的磁斯格明子态。结论计算结果表明,单层CoXY将为基于磁斯格明子的赛道存储和处理器件提供一个好的平台。

新型SiAsP二维Janus材料电子结构和光吸收性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过对最新报道出的二维材料单层SiP_(2)进行原子替换,预测出单层SiAs_(2),α-SiAsP,β-SiAsP 3种新型二维材料,并对3种材料的晶体结构、稳定性、电子能带结构和光学性质进行分析验证。通过静电势计算验证出3种材料在与平面垂直的方向具有非对称性,是Janus材料;声子谱计算结构表明3种材料具有良好的结构稳定性;电子结构计算结果表明上述材料为间接带隙半导体,带隙大小分别为2.21,2.43,1.76 eV;吸收光谱计算结果表明3种材料可以有效地吸收可见光和紫外光,其中β-SiAsP甚至可以吸收近红外光。因此,预测出单层SiAs2,α-SiAsP和β-SiAsP二维Janus材料在光学和电子领域具有一定的应用前景。

Janus型二维磁电材料CrXX’(X/X’=S,Se, Te)第一性原理研究

自石墨烯被发现以来,各种具有新奇特性的二维材料受到了越来越多的关注。Janus型二维材料具有不对称的表面特性,这种特殊的结构往往具有独特的电学、磁学与光学性质,使其成为近年来材料科学领域研究的热点。本文搭建了Janus型结构CrXX’(X/X’=S,Se, Te)(CrSSe, CrSTe, CrSeTe),研究了体系的电学、磁学、光学性质,并探究了双轴应变对其电学、磁学、光学性质的影响。结果表明,CrSSe、CrSTe与CrSeTe均呈现金属性,都是电子的优良导体,三种体系的电子结构对外加应变具有很好的鲁棒性。CrXX’(X/X’=S,Se, Te)具有本征铁磁性,并且通过施加双轴应变可对其磁矩进行调控。此外,三种体系均具有较高的居里温度,特别是CrSTe的居里温度可达310 K。CrXX’(X/X’=S,Se, Te)还具有优异的可见光与紫外光吸收性能,应变可对其光吸收系数进行调控,并且压应变与拉应变可分别使其吸收谱线向短波与长波方向移动。本文的工作为进一步研究二维Janus单层CrXX’(X/X’=S,Se, Te)在新型室温自旋电子器件领域的应用提供了理论支持。

二维磁性纳米结构材料的Monte Carlo模拟

运用MonteCarlo模拟方法,通过分析系统自旋序参数与温度的变化关系了解纳米结构材料磁性的特征.计算模拟结果表明,磁性纳米材料具有比同等大小和平均密度的单晶低的居里温度,且在相变过程中往往会出现一些亚稳态.研究结果提供了一种解析金属纳米结构材料特性的重要方法.

单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度效应的理论研究

基于传统光学衍射理论构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型.该理论模型将单晶势垒层视作周期性的衍射光栅,所以可以计入单晶势垒层对隧穿电子散射产生的相干性.利用此理论,研究了单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度效应.理论结果表明,由于隧穿电子波为势垒层散射而具有强相干性,所以隧穿电阻和TMR会随温度非单调变化.这解释了已有的实验结果,并阐明了其物理机制.此外,还研究了晶格畸变对单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度特性的影响.这些研究结果为优化单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度特性奠定了坚实的理论基础.

二维钒掺杂Cr_(2)S_(3)纳米片的生长与磁性研究

二维磁性材料是近年来发展起来的新兴材料,在单层或者少层的原子厚度中以其独特的磁性特性和结构特征而备受关注.其中铁磁性材料在信息存储和处理等方面有着广泛的应用,所以当前研究主要集中在丰富二维铁磁数据库以及开发磁调制的修饰策略上.本文通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上成功生长出了二维钒掺杂Cr_(2)S_(3)纳米片,获得了钒源温度765℃和质量0.010 g为纳米片生长情况最适中条件,并通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线光电子能谱对纳米片进行表征.同时掺杂样品的磁性表征表明钒掺杂后样品居里转变温度变为105 K,由亚铁磁性变为铁磁性,矫顽力也显著增大,证明钒掺杂可以有效地调控Cr_(2)S_(3)纳米片的磁性.这些研究结果将有望推动钒掺杂Cr_(2)S_(3)材料向着实际应用的的可能性,成为下一代自旋电子应用的理想候选材料之一.

二维磁性NbSi_(2)N_(4)-WSi_(2)N_(4)-NbSi_(2)N_(4)异质结的光生电流效应

采用量子输运方法研究了二维(2D)磁性NbSi_(2)N_(4)-WSi_(2)N_(4)-NbSi_(2)N_(4)面内异质结的光生电流效应.该异质结具有C2v非空间反演对称性,在可见光范围内,用线偏光垂直及倾斜照射时,均能激发显著的光生电流效应,产生自旋极化且偏振敏感的光电流.光电流与偏振角(θ)和入射角(α)均为余弦依赖(cos(2θ),cos(2α))关系.两种照射方式下均能产生纯自旋流及完全自旋极化的光电流.在垂直照射时,能取得完美的自旋阀效应.这些结果表明,二维磁性NbSi_(2)N_(4)-WSi_(2)N_(4)-NbSi_(2)N_(4)异质结在低能耗自旋电子学及低维光电探测领域具有应用潜力.

二维磁性材料的物性研究及性能调控

以石墨烯和二硫化钼为代表的二维材料,由于具有良好的电学、热学、光学以及力学性质,近年来成为了科学界一大研究热点.而作为二维材料的分支,二维磁性材料由于具有磁各向异性、单层磁有序等特殊性质,特别是磁性还可借助多种物理场进行调控,使其具有丰富的物理特性和潜在的应用价值,逐渐受到研究者的普遍关注.本文详细总结了二维磁性材料的种类类型、合成方法、基本特性以及表征手段,系统归纳了关于二维磁性材料物性调控方面的研究工作,并对二维磁性材料的未来研究方向和挑战进行简单的展望.

磁性二维材料的近期研究进展

具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序,其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控.这些新奇特性赋予了二维磁性材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值,受到了研究者的广泛关注.本文着重介绍近年来二维磁体在实验和理论计算两方面的研究进展,首先从几种二维磁性材料中常见的磁交换机制出发,随后以组分作为分类依据,详细介绍一些主要二维磁体的几何和电子结构以及它们的磁耦合方式;在此基础上,再讨论如何通过外部(外场和界面)和内部(堆叠和缺陷)两类方式调控二维磁体的电子结构和磁性;继而探讨如何利用这两类调控方式,将上述材料应用于实际自旋电子学器件以及磁存储等方面的潜力;最后总结和展望了目前二维磁性材料遇到的困难和挑战以及未来可能的研究方向.

二维层状Cr_(x)Te_(y)超薄膜高效电磁屏蔽材料及其航天应用研究

电磁屏蔽是有效抑制电磁危害的手段之一,电磁屏蔽材料的性质与其抗电磁辐射能力密切相关。Cr_(x)Te_(y)合金材料的晶体结构呈现二维多层结构,具有优异的屏蔽电磁波的潜能,可以作为未来航天领域的优选材料。通过脉冲激光沉积手段,CrTe_(2)和Cr_(4)Te_(5)两种组分薄膜被外延沉积在蓝宝石Al2O3衬底上。X射线衍射和原子力显微镜测量结果显示薄膜为外延单晶生长,同时薄膜表面的粗糙度起伏不超过2 nm。其中光电子能谱对Cr_(4)Te_(5)薄膜的扫描结果证明其化学计量比符合4∶5,且在空气中放置一个月后未发现明显氧化。变温的磁化强度测量显示CrTe_(2)和Cr_(4)Te_(5)薄膜分别在198 K和257 K发生标准的顺磁--铁磁相变行为。温度范围从5 K到320 K,薄膜始终显示为金属性。电输运物理机理的模拟分析得出,电子--电子散射和电子--磁子散射分别对居里点以上和以下导电性起主导作用。这些优异的性能集一体,使得Cr_(x)Te_(y)材料在未来航天领域可以发挥电磁屏蔽的重要作用。

二维碳化物Ti_(3)C_(2)T_(x)/磁性材料复合吸波材料研究进展

二维过渡金属碳化合物Ti_(3)C_(2)T_(x),具有优异的介电性能和独特的层状结构,通过介电损耗可实现较好的高频微波吸收性能。引入磁性材料增加磁损耗机制,双重损耗机制有望获得优异的吸波性能且拓宽吸波频带。文章介绍了Ti_(3)C_(2)T_(x)和磁性材料的电磁性能及吸波机制,分析了Ti_(3)C_(2)T_(x)分别与铁氧体、磁性金属颗粒及其合金和Ti_(3)C_(2)T_(x)/磁性材料衍生物复合的吸波性能及电磁波衰减机制。分析表明,Ti_(3)C_(2)T_(x)与磁性材料复合,其综合吸波性能要优于单一组分,且可以通过改变负载量来调整吸波强度和带宽,为制备低频下吸收强度高的吸波材料提供研究方向。

单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应

基于Bethe理论和双束近似方法,构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型。该理论模型将单晶势垒层视作周期性光栅,因而可以充分地计入隧穿电子的相干性。进一步地,利用该理论计算了以单晶二维材料作为势垒层的磁性隧道结的偏压效应。根据计算结果,讨论了铁磁电极对偏压效应的影响以及偏压对厚度效应的影响。研究表明,由于单晶周期性势垒对隧穿电子散射导致透射电子波具有相干性,隧穿电导和TMR将随偏压振荡,且振荡的周期随铁磁电极半交换劈裂能的增大而增大。此外,研究结果还发现,当偏压低于100 mV时,偏压对隧穿磁阻效应的影响很小;当偏压显著增大时,隧穿电导和TMR随势垒层厚度振荡的振幅和频率均随之减小。

二维层状磁性半导体材料FePS3的物理性质研究

利用化学气相输运法制备出了过渡金属-磷-三硫化物FePS3的高质量单晶样品,并对该单晶样品的晶体结构、电输运性质和磁各向异性进行了系统的研究.粉末X射线衍射结构精修显示FePS3呈单斜晶体结构,具有典型的层状结构特征.面内电阻率随温度降低而升高,呈半导体行为,激活能大小为273 meV.在高温区,面内磁化率和面间磁化率都随温度降低而升高,呈居里-外斯顺磁行为;但是两个方向上磁化率的外斯温度符号相反,表现出明显的各向异性.随着温度的降低,两个方向上的磁化率在118 K附近都急剧减小,然后保持不变,表现出典型的反铁磁相变行为,但是该反铁磁相变具有明显的一级相变特征.

二维磁性材料及多场调控研究进展

二维磁性材料是二维材料家族的新成员,其在单原胞层厚度依然保持长程磁序且易受外场调控,这为二维极限下的磁性以及其他新奇物理效应的研究提供了理想的平台,又为低功耗自旋电子学/磁存储器件的研制开辟了新的途径,成为国际上备受关注的前沿热点.本综述首先系统介绍了近年来发现的各类本征二维磁性材料的晶体结构、磁结构以及磁性能,并讨论了由磁场、电场、静电掺杂、离子插层、堆叠方式、应变、界面等外场调控二维磁性材料磁性能的研究进展,最后进行总结并展望了二维磁性材料未来发展的研究方向.深入理解二维磁性材料磁性的起源和机理、研究其磁性能与微观结构之间的关联,为寻找具有更高居里温度(奈尔温度)的磁性材料、设计多功能的新概念器件具有重要意义.