二维本征铁磁半导体-碱基铬硫族化合物学术资讯

来源：ACS美国化学会

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英文原题: Intrinsic Ferromagnetic Semiconductors in Two-Dimensional Alkali-based Chromium Chalcogenides

二维本征铁磁半导体材料在磁光、磁电、自旋电子学等领域具有非常好的应用前景。到目前为止，在理论上已经预测了大量的二维本征铁磁半导体候选材料(e.g., MAY3, MBY3, MY3, MY2, MY, MnNC/MnYC, and MC3, (M = V, Cr to Ni; A, B, Y, C = group-IV, -V, -VI & group-VII elements))。相对而言，在实验上观测到的二维本征铁磁半导体材料则非常稀少[例如CrX3（X=Cl, Br and I）和Ge2Cr2Te6等]。从已有块体磁性材料中剥离出层状的铁磁半导体是一种可行的方案。在这个工作中，通过第一性原理计算确定了层状XCrY2 (X = Li and Na; Y = S, Se, and Te)为本征铁磁半导体材料。用海森堡模型计算得到这类材料的居里温度最高可达285 K。另外，通过高精度杂化泛函计算发现LiCrSe2, NaCrSe2 和NaCrTe2 都是直接带隙半导体。此外，研究发现自旋轨道耦合效应可以降低空穴的有效质量，从而使得空穴的载流子迁移率增强（达到了3 × 103 cm2v-1s-1）。

图1. 二维XCrY2结构图。(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为第一布里渊区。

图2. 二维XCrY2声子谱分析。

结构及稳定性分析：在这个工作中，所计算的单层结构都有对应的体相。虽然计算得到的二维XCrY2解离能较大，但是实验研究表明可以较为容易的从NaCrS2块体中解离得到（001）面 [J. Cryst. Growth, 24, 669 (1974)]。同时声子谱和分子动力学模拟均表明二维XCrY2在常温下是稳定的。

性质研究：对于二维磁性材料而言，确定相应的磁基态至关重要。在这个工作中，选取了多个大小不同的超胞，通过采用不同的U值及HSE06计算对可能的磁结构进行了系统研究，计算结果表明铁磁结构的能量最低。另外，分别采用Ising模型和Heisenberg模型计算了二维XCrY2的居里温度，发现海森堡模型给出的居里温度仅是伊辛模型的1/3，通常海森堡模型得到的居里温度更接近实验结果。