非金属原子掺杂扶手椅型砷烯纳米管的磁电子性质及调控

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件非常重要.基于密度泛函理论(DFT),系统研究了非金属原子X(X=B,N,P,Si,Se,Te)取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流子迁移率以及应变对杂质管磁电子性质的调控效应.计算的结合能和形成能证明了杂质管AsANT-X的结构稳定性,可能在实验中实现.杂质管电子结构的计算表明AsANT-X(X=B,N,P)为无磁半导体,而AsANT-X(X=Si,Se,Te)表现为双极化磁性半导体,磁性源于杂质原子与As之间未配对电子的出现.此外,掺杂可以灵活调控AsANT的载流子迁移率到一个较宽的范围,并且呈现明显的载流子极性和自旋极性.特别是,应变可以导致AsANT-Si在双极化磁性半导体、半-半导体、磁金属和无磁金属之间的多磁相变过渡,这种在无磁态和高磁化态之间的转换可用于设计由应变控制的自旋极化输运的机械开关.本文研究为砷烯的应用提供了新途径.

三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.

原子吸附的二维CrI_(3)铁磁半导体电学和磁学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的方法系统研究了碱(土)金属原子、过渡金属原子和非金属原子吸附的二维CrI_(3)单层的电学和磁学性质.结果表明,金属原子倾向于吸附在6个I原子形成的环中心并且与Cr原子处于同一高度,非金属原子吸附在I原子形成的环内,但位置则依赖于原子种类.除Ti和Mn原子之外的其他原子的吸附并未改变CrI_(3)单层的本征铁磁半导体属性,而Ti和Mn原子的吸附则使CrI_(3)单层转变为反铁磁构型.金属原子的吸附导致Cr原子局域磁矩增加,但不超过4μ_(B);而非金属原子的吸附则使Cr原子的局域磁矩呈现多样化.结合分波态密度我们对Cr局域磁矩的变化机制进行了细致分析,发现Cr磁矩的增加与电荷转移直接相关.我们的研究结果为铁磁半导体CrI_(3)的性能调控提供了新的思路,在未来自旋电子学中有着潜在的应用前景.

(CoO)_n(n≤6)合金团簇的结构和磁性理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT-GGA)对(CoO)_n(n≤6)合金团簇进行了系统的几何、电子结构和磁性质研究.研究结果表明(CoO)n(n≤6)团簇最稳定结构除(CoO)6团簇为三维立体结构外,其余团簇均呈二维平面结构,且(CoO)_n(n=1,2,3,4和6)结构均表现明显的钴氧分离特征,而(CoO)5团簇表现明显的Co—Co聚合和O—O分离特征.团簇的总磁矩在n=1,3,4时,以3μB为单元成倍增长,(CoO)5团簇显著降低,减小至1μB,(CoO)6团簇又有所增加,增大至6μB.(CoO)n(n≤6)团簇磁性变化的起因也从电荷转移、磁性耦合、电子差分密度和态密度进行了详细阐释.

(CoAl)n(1≤n≤6)合金团簇结构、稳定性和磁性的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT-GGA)对(CoAl)n(1≤n≤6)合金团簇的几何、电子结构和磁性进行了系统的研究.计算结果表明(CoAl)n(1≤n≤6)合金团簇在基态附近出现许多能量十分接近的低能量态,有能量简并态存在,表现出经典的过渡金属密堆积结构;同时在(CoAl)5和(CoAl)6团簇中,有磁性双稳态存在.合金团簇的结合能随着团簇尺寸的增大而增大. CoAl团簇获得了最大的带隙,表现出强的化学惰性,带隙在n>3之后出现明显的奇偶变化规律,且整体呈下降趋势,这种现象源于团簇中共价键、离子键的相互竞争.(CoAl)n(1≤n≤6)的总磁矩随尺寸大小呈半梯形状的变化趋势,其中CoAl团簇的磁矩为2μB,(CoAl)2和(CoAl)3磁矩为4μB,(CoAl)4,(CoAl)5和(CoAl)6为6μB,这种磁性变化规律在文中也从磁序排列、电荷转移以及自旋极化等方面进行了详细讨论.