基于第一性原理的β-C_(3)N_(2)笼中原子嵌入引起的超硬磁性新材料设计

基于第一性原理计算,我们通过将客体原子嵌入β-C_(3)N_(2)笼状结构的内在空腔中,预测了机械超硬和可控磁性的共存.以氢掺杂(H@β-C_(3)N_(2))和氟掺杂(F@β-C_(3)N_(2))为例,我们的研究表明两种掺杂构型是稳定的,并发现它们分别属于反铁磁半导体和铁磁半金属.这些有趣的磁相变源于它们在费米能级周围独特的能带结构,并可通过具有半填充占据的3D Hubbard模型和Stoner模型很好地解释.此外,H@β-C_(3)N_(2)和F@β-C_(3)N_(2)的高维氏硬度(49.0和48.2 GPa)表明它们具有笼状超硬材料特征.因此,氢和氟在β-C_(3)N_(2)笼中的掺杂分别产生了一种新型的超硬反铁磁半导体和超硬铁磁半金属,这些材料在极端条件下具有潜在的应用前景.我们的工作为设计具有优异机械性能和磁性的新型高性能多功能材料提供了一种有效的策略,这可能会为超硬材料未来在自旋电子学的应用提供理论依据.