应变对二维CrTe 3 磁性影响的第一性原理研究
发布时间：2021-11-15 12:57
二维磁性材料能够在单原子厚度保持自发磁化,它为低维系统的磁性研究提供了新的契机,在信息存储和数据处理等方面有广阔的应用前景。本文系统地研究了应变对单层Cr Te3的电子结构及晶体结构的影响,并且重点探究了应变对单层Cr Te3磁学性质的调控。第一章,我们阐述了磁学的一些基本概念及理论,介绍了二维磁性材料的研究现状,并介绍了包括应变,缺陷,化学修饰及电场等方式对二维材料磁学性质的调控。最后引出本文的主要研究内容。第二章,我们简单介绍了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及本文研究所采用的的计算软件。第三章,我们计算模拟了双轴应变对单层Cr Te3晶体结构及电子结构的影响。我们先优化了Cr Te3块体的晶体结构,分析了它的电子结构。在此基础上建立了单层Cr Te3模型,分析了其键长,键角等晶体结构参数随应变的变化,这些晶格参数的变化与体系的磁相变现象密切相关。之后分析了不同应变下单层Cr Te3的自旋极化能带结构及态密度,发现单层Cr Te3
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CrTe3晶体结构，蓝色、褐色分别为Cr、Te原子
第三章应变对单层CrTe3晶体结构及电子结构的影响19图3-2CrTe3块体结构的自旋极化能带结构，图中将费米能级设为0以作参考。图3-2所示为由GGA-PBE方法计算得到的CrTe3块体结构的自旋极化能带结构图，尽管GGA-PBE方法通常会低估半导体带隙，但我们从图中可以看出该体系的带隙为0.29eV,十分接近实验测得的带隙值0.3eV，可以看出GGA-PBE可以较好地预估CrTe3体系的电子结构。并且，CrTe3块体结构的价带顶（Valencebandmaximum,VBM）恰好落在倒格子空间的X点，而导带底（Conductionbandminimum，CBM）恰好落在Y点上，因此CrTe3块体是间接带隙半导体。3.4应变对单层CrTe3晶体结构的影响单层CrTe3晶体结构如图3-3所示，Cr原子按照菱形网格排列，夹于上下两个Te原子平面层之间，使得体系呈现三明治结构，每个Cr原子与六个Te原子形成八面体结构，c方向为真空层方向，厚度为20。体系经过结构优化后a和b方向晶格常数分别为11.55和11.09，Cr-Te和Cr-Cr键长分别为2.73和3.64。根据对称性分析，蓝色及绿色原子分别代表两类不等价的Cr原子。实验上单层CrTe3还未被制备出来，理论计算可得CrTe3的解理能为0.5J/m2，与石
华南理工大学硕士论文20墨烯一样[108]，因此可以推测单层CrTe3在实验上同样可以利用机械剥离法得到。计算还表明，它在平面两个方向的杨氏模量分别是52GPa·nm和48GPa·nm，比单层CrI3强[109]但是比石墨烯弱[110]，说明该材料比较柔软，能够承受较大范围的应变，图3-3（a）中的箭头表示了在单层CrTe3平面内施加双轴应变方向。图3-3（a）和（b）分别为单层CrTe3的俯视图和侧视图，其中蓝色和绿色分别表示两类不等价的Cr原子，同时蓝色和绿色键分别表示两类Cr原子与其相邻Te原子形成的键。我们研究了单层CrTe3几何结构参数随应变的变化情况。在下一章中我们通过计算比较单层CrTe3在不同应变下反铁磁态及铁磁态的能量差，发现4%拉伸应变下体系会发生反铁磁到铁磁的相变，为了方便区分相变前后的情况，我们使用紫色区域覆盖表示相变前的情况，用白色区域表示相变后的情况。图3-4（a）展示了假设应变范围内体系都处于反铁磁耦合时两类Cr原子与其邻近的六个Te原子的平均键长随应变的变化，分别表示为d1和d2。在反铁磁（AFM）→铁磁（FM）相变临界点前d1一直略小于d2，从相变临界点开始d1逐渐超过d2，而在8%应变时d1和d2会发生小突变，突变处体系各个原子受力都已收敛。图3-4（b）是假设在所有应变下体系都处于铁磁基态的情况，在AFM→FM相变临界点前，d1一直略小于d2且随着压缩应变增大二者差距增大，同样地在相变临界点处d1开始逐渐超过d2且随着拉伸应变的增大二者差距增大。由两类Cr原子与其邻近的六个Te原子的平均键长的变化可以推测原子间磁交换作用存在一定的竞争关系，导致了体系的磁基态发生变化。通过图3-4（a）和（b）可知，总的来看d从负应变到正应变范围内一直增大且在应变范围内变化幅度不大，在-4%~10%应变范围内
【参考文献】：
期刊论文
[1]面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究[J]. 王洁,许炎,刘贵鹏,田永辉,杨建红. 原子与分子物理学报. 2020(02)
[2]Perspectives on exfoliated two-dimensional spintronics[J]. Xiaoxi Li,Baojuan Dong,Xingdan Sun,Hanwen Wang,Teng Yang,Guoqiang Yu,Zheng Vitto Han. Journal of Semiconductors. 2019(08)
[3]Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites[J]. ANDrew T.Smith,Anna Marie La Chance,Songshan Zeng,Bin Liu,Luyi Sun. Nano Materials Science. 2019(01)
[4]稀土永磁材料的最新研究进展[J]. 闫阿儒,刘壮,郭帅,陈仁杰. 金属功能材料. 2017(05)
[5]天然磁石勺“司南”实证研究[J]. 黄兴. 自然科学史研究. 2017(03)
[6]磁性材料磁有序的分子场来源[J]. 齐伟华,李壮志,马丽,唐贵德,吴光恒,胡凤霞. 物理学报. 2017(06)
[7]石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展[J]. 刘晓毅,王奉超,吴恒安. 固体力学学报. 2016(05)
[8]First-principles design of spintronics materials[J]. Xingxing Li,Jinlong Yang. National Science Review. 2016(03)
[9]Investigation of Single-Wall MoS2 Monolayer Flakes Grown by Chemical Vapor Deposition[J]. Nihan Kosku Perkgoz,Mehmet Bay. Nano-Micro Letters. 2016(01)
[10]应变调控单层氧化锌能带结构的第一性原理研究[J]. 汪志刚,曾祥明,张杨,黄娆,文玉华. 物理化学学报. 2015(09)
本文编号：3496824
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CrTe3晶体结构，蓝色、褐色分别为Cr、Te原子
第三章应变对单层CrTe3晶体结构及电子结构的影响19图3-2CrTe3块体结构的自旋极化能带结构，图中将费米能级设为0以作参考。图3-2所示为由GGA-PBE方法计算得到的CrTe3块体结构的自旋极化能带结构图，尽管GGA-PBE方法通常会低估半导体带隙，但我们从图中可以看出该体系的带隙为0.29eV,十分接近实验测得的带隙值0.3eV，可以看出GGA-PBE可以较好地预估CrTe3体系的电子结构。并且，CrTe3块体结构的价带顶（Valencebandmaximum,VBM）恰好落在倒格子空间的X点，而导带底（Conductionbandminimum，CBM）恰好落在Y点上，因此CrTe3块体是间接带隙半导体。3.4应变对单层CrTe3晶体结构的影响单层CrTe3晶体结构如图3-3所示，Cr原子按照菱形网格排列，夹于上下两个Te原子平面层之间，使得体系呈现三明治结构，每个Cr原子与六个Te原子形成八面体结构，c方向为真空层方向，厚度为20。体系经过结构优化后a和b方向晶格常数分别为11.55和11.09，Cr-Te和Cr-Cr键长分别为2.73和3.64。根据对称性分析，蓝色及绿色原子分别代表两类不等价的Cr原子。实验上单层CrTe3还未被制备出来，理论计算可得CrTe3的解理能为0.5J/m2，与石
华南理工大学硕士论文20墨烯一样[108]，因此可以推测单层CrTe3在实验上同样可以利用机械剥离法得到。计算还表明，它在平面两个方向的杨氏模量分别是52GPa·nm和48GPa·nm，比单层CrI3强[109]但是比石墨烯弱[110]，说明该材料比较柔软，能够承受较大范围的应变，图3-3（a）中的箭头表示了在单层CrTe3平面内施加双轴应变方向。图3-3（a）和（b）分别为单层CrTe3的俯视图和侧视图，其中蓝色和绿色分别表示两类不等价的Cr原子，同时蓝色和绿色键分别表示两类Cr原子与其相邻Te原子形成的键。我们研究了单层CrTe3几何结构参数随应变的变化情况。在下一章中我们通过计算比较单层CrTe3在不同应变下反铁磁态及铁磁态的能量差，发现4%拉伸应变下体系会发生反铁磁到铁磁的相变，为了方便区分相变前后的情况，我们使用紫色区域覆盖表示相变前的情况，用白色区域表示相变后的情况。图3-4（a）展示了假设应变范围内体系都处于反铁磁耦合时两类Cr原子与其邻近的六个Te原子的平均键长随应变的变化，分别表示为d1和d2。在反铁磁（AFM）→铁磁（FM）相变临界点前d1一直略小于d2，从相变临界点开始d1逐渐超过d2，而在8%应变时d1和d2会发生小突变，突变处体系各个原子受力都已收敛。图3-4（b）是假设在所有应变下体系都处于铁磁基态的情况，在AFM→FM相变临界点前，d1一直略小于d2且随着压缩应变增大二者差距增大，同样地在相变临界点处d1开始逐渐超过d2且随着拉伸应变的增大二者差距增大。由两类Cr原子与其邻近的六个Te原子的平均键长的变化可以推测原子间磁交换作用存在一定的竞争关系，导致了体系的磁基态发生变化。通过图3-4（a）和（b）可知，总的来看d从负应变到正应变范围内一直增大且在应变范围内变化幅度不大，在-4%~10%应变范围内
【参考文献】：
期刊论文
[1]面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究[J]. 王洁,许炎,刘贵鹏,田永辉,杨建红. 原子与分子物理学报. 2020(02)
[2]Perspectives on exfoliated two-dimensional spintronics[J]. Xiaoxi Li,Baojuan Dong,Xingdan Sun,Hanwen Wang,Teng Yang,Guoqiang Yu,Zheng Vitto Han. Journal of Semiconductors. 2019(08)
[3]Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites[J]. ANDrew T.Smith,Anna Marie La Chance,Songshan Zeng,Bin Liu,Luyi Sun. Nano Materials Science. 2019(01)
[4]稀土永磁材料的最新研究进展[J]. 闫阿儒,刘壮,郭帅,陈仁杰. 金属功能材料. 2017(05)
[5]天然磁石勺“司南”实证研究[J]. 黄兴. 自然科学史研究. 2017(03)
[6]磁性材料磁有序的分子场来源[J]. 齐伟华,李壮志,马丽,唐贵德,吴光恒,胡凤霞. 物理学报. 2017(06)
[7]石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展[J]. 刘晓毅,王奉超,吴恒安. 固体力学学报. 2016(05)
[8]First-principles design of spintronics materials[J]. Xingxing Li,Jinlong Yang. National Science Review. 2016(03)
[9]Investigation of Single-Wall MoS2 Monolayer Flakes Grown by Chemical Vapor Deposition[J]. Nihan Kosku Perkgoz,Mehmet Bay. Nano-Micro Letters. 2016(01)
[10]应变调控单层氧化锌能带结构的第一性原理研究[J]. 汪志刚,曾祥明,张杨,黄娆,文玉华. 物理化学学报. 2015(09)
本文编号：3496824
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