过渡金属原子掺杂的二维SnSe磁性特征及其调控的理论研究
发布时间：2020-04-22 21:32
【摘要】：近年来,稀磁半导体由于在自旋器件等方面的潜在应用价值受到人们的关注。以硒化锡(SnSe)为代表的稀磁半导体具有电子电荷和自旋的双重特性,在未来的微纳米器件和自旋电子器件的设计制作方面具有广泛的应用前景。二维稀磁半导体较之三维体系具有易掺杂、磁性易调制、居里温度高等优点。对于二维半导体来说,利用携带磁性的过渡金属原子(TM)掺杂是有效引入稳定磁矩的方法。所引入的磁矩通常具有可调制的特征,而且对应磁性系统的居里温度较高。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究钒、铬、锰、铁、钴、镍六种3d过渡金属原子掺杂形成的稀磁半导体的磁性机理及其调控机制。我们的研究结果表明当过渡金属吸附在单层硒化锡表面时,Hollow位为最稳定的吸附位置;当过渡金属替换Se原子时,掺杂的TM与邻近的五个Sn原子成键,形成C4v点群对称性的四方锥结构;替换Sn原子时,钒、铬、锰与邻近的五个Se原子成键,形成了 C4v点群对称性的四方锥结构,而铁、钴、镍与邻近的三个Se原子成键,形成了 C3v点群对称性的三角锥形结构。通过缺陷形成能分析我们发现TM替位Sn(TM@Sn)为能量最优的掺杂系统。而且,在Co@Sn和Ni@Se体系中,形成了一个浅受主能级,分别位于0.03 eV,0.015 eV能量位置处。这说明Co@Sn和Ni@Se的半导体特性可以在室温调剂下激活,从而形成有效的p型半导体。以最稳定系统TM@Sn为例,我们详细研究了硒化锡稀磁半导体的磁性特征及其调制。我们发现TM@Sn表现为高自旋极化的稳定基态,其磁矩主要来源于TM自旋极化的3d态电子。我们利用晶场劈裂和自旋交换劈裂模型详细分析了TM-3d轨道的杂化。我们发现在TM@Sn中TM原子的电子排列满足洪特定则,形成高自旋极化的电子组态。因此,对应磁矩分别为3μB、4μB、5μB、4μB、4μB和2μB。我们的研究还表明外加电场因为改变了 TM与周边原子的相对位置而影响了 3d轨道的晶场劈裂,所以实现了对TM@Sn自旋基态的调制。特别是,在Fe@Sn系统中,当外加电场达到0.4eV/A时缺陷处的局域结构从C3v的三角结构转变为C4v的四方锥结构,晶场劈裂发生明显变化,从而实现了从“自旋开(S=2)”向“自旋关(S=0)”的转变。
【图文】：
图１．１实验制备得到的石墨烯１６］逡逑
大的电流开关比值，而这个特性恰恰是逻辑电器领域所要求的，这大大的局限了逡逑其应用。逡逑ａｓ逡逑图１．１实验制备得到的石墨烯１６］逡逑早期人们解决的办法是想通过修饰石墨烯的电子结构来得到一个稳定的能逡逑隙，但是却又引入了一些问题，比如通过吸氢虽然可以得到一个５．４ｅＶ的能隙，逡逑石墨烯却因为氢化而丧失了其稳定性［１７１用Ｎ等轻元素掺杂可以得到一个０．７ｅＶ逡逑的能隙，石墨烯的晶格对称却遭到了破坏在这种思路下，人们联想到了自逡逑然界中其它的二维层状材料。尽可能的在自然界中寻找具备半导体能带结构的材逡逑料，，人们成功制备了以磷烯和二维过渡金属化合物等为代表的一系列二维半导体逡逑材料［１７］（如图Ｕ所示）。这些二维材料都具有非零带隙，克服了石墨烯电子结构逡逑中天然零带隙的缺点，这些成果都使人们看到了突破鞋电子学瓶颈的可能性。逡逑１嫇＿逡逑[珏澹蝈义希蹋模龋渝澹义希浚觯荆㈠义稀觥瘇枮禐鑯枺哄义贤迹保捕嘀掷嗍┒牧襄义希插义
本文编号：2636992
【图文】：
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