【摘 要】
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二维材料由于其别具一格的优异性能,在纳米电子学、光电子学和能源等领域有着广泛的应用。然而,大多数二维材料是没有磁性的,这就限制了它们在高密度非易失性数据存储以及自旋电子学等方面的应用。虽然大量的研究表明对二维材料进行元素掺杂、吸附或引入空位缺陷等均可以实现磁性的引入,但通过这些方式引入的磁性局域化且难以控制。因此,寻找一种二维本征铁磁性材料是当前解决实际应用问题的关键。近年来,二维本征室温铁磁性材
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二维材料由于其别具一格的优异性能,在纳米电子学、光电子学和能源等领域有着广泛的应用。然而,大多数二维材料是没有磁性的,这就限制了它们在高密度非易失性数据存储以及自旋电子学等方面的应用。虽然大量的研究表明对二维材料进行元素掺杂、吸附或引入空位缺陷等均可以实现磁性的引入,但通过这些方式引入的磁性局域化且难以控制。因此,寻找一种二维本征铁磁性材料是当前解决实际应用问题的关键。近年来,二维本征室温铁磁性材料2H-VTe2以及VX3(X=Cl,Br,I)由于具有自发的铁磁性受到了学者们的广泛关注。本论文通过第一原理性计算,系统地研究了2H-VTe2和VX3(X=Cl,Br,I)单层的电子结构与磁性调控。1.通过第一原理计算,研究了应变和层间耦合对层状2H-VTe2的电子结构、谷极化和磁各向异性(MAE)的影响。结果表明,2H-VTe2单层具有156.5 me V的谷极化和居里温度为377 K的平面内铁磁基态。根据有效哈密顿量k·p模型,谷极化主要来源于自发磁交换场,而非SOC效应。V原子的轨道MAE表明,面内MAE主要来源于V原子的dxy和d22x-y轨道贡献。随着应变从-6%增加到6%,2H-VTe2单层的面内MAE和谷极化先增大后逐渐减小,这与V原子的磁矩密切相关。此外,多层2H-VTe2的堆叠方式对谷极化有显著影响。AB堆叠模型保留了空间反演对称性,使得谷极化消失。相反,AA堆叠模型由于打破了空间反演对称性,导致两个谷能量不相等,从而表现出更大的谷极化。2.基于密度泛函第一性原理计算,研究了应变与电荷对VX3(X=Cl、Br、I)单层的电子结构、居里温度与磁性的影响。结果表明,VCl3单层在基态下表现为面外铁磁性,而VBr3和VI3单层则呈现面内铁磁性。基于Ising模型的蒙特卡罗模拟表明,其居里温度分别为VCl3(94 K),VBr3(103 K),VI3(116 K)。值得注意的是,三种体系在费米能级周围具有由V-d态引起的半金属Dirac点。在不同的双轴应变下,VX3(X=Cl、Br、I)单层在超过4%的拉伸应变下会转变为反铁磁态,且具有可调谐的居里温度和MAE,这与费米能级附近V原子的dxy和d22x-y轨道占据有关。最后,我们发现在电场作用下,VX3单层的磁相变可以得到有效调节,这为拓宽二维磁性材料以及开发高性能电子或自旋电子器件开辟了新的可能。
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