【摘 要】
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元器件尺度进入亚微米量级后,量子限域效应、迁移率退化等问题开始出现,“摩尔定律”放缓甚至终结的声音愈演愈烈。为了延续摩尔定律的“寿命”,科研人员不断寻找硅晶体管小型化的新途径和其他能够取而代之的新材料。人们不再只满足于利用电子的电荷属性,而是开始开发电子的另一内禀属性——自旋,然而寻找到合适的磁性半导体材料成为关键。单层三碘化铬（CrI3）材料作为首个具有本征铁磁（FM）性的二维半导体材料,兼具自
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:11904284、61377036、60971015）； 陕西省科技计划青年项目（编号:2020JQ614）；
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元器件尺度进入亚微米量级后,量子限域效应、迁移率退化等问题开始出现,“摩尔定律”放缓甚至终结的声音愈演愈烈。为了延续摩尔定律的“寿命”,科研人员不断寻找硅晶体管小型化的新途径和其他能够取而代之的新材料。人们不再只满足于利用电子的电荷属性,而是开始开发电子的另一内禀属性——自旋,然而寻找到合适的磁性半导体材料成为关键。单层三碘化铬（CrI3）材料作为首个具有本征铁磁（FM）性的二维半导体材料,兼具自旋电子材料特有的自旋电子学效应与低维体系显著的量子耦合效应优势一经发现就成为热点。二维CrI3材料对自旋电子学、磁振子学和量子领域的研究具有重要意义,在新型存储器、自旋电子器件和磁子设备等应用领域具有巨大潜力,因此受到了不少研究者的关注与探究。本文基于密度泛函理论,通过第一性原理计算方法研究了碱金属（Li、Na、K、Rb）及氢（H）、氧（O）吸附单层CrI3表面的电子性质与磁学性质。主要研究内容如下:第一,计算分析碱金属（Li、Na、K、Rb）及H、O吸附单层CrI3后体系的电荷转移情况。首先对单层本征CrI3进行了一致性验证,然后确定了所有吸附原子在单层CrI3上所有吸附位点中的最佳吸附位点。基于最佳吸附位点,确定所有吸附体系的磁性基态均为FM态。基于磁性基态,又结合电负性分析与Bader电荷分析对比分析了本征与3.125%和12.50%两个吸附覆盖率下吸附体系的电荷转移情况。发现碱金属吸附体系中单个Cr的电荷转移量与本征时的电荷转移量之差在3.125%时为负值,12.50%时为正值,但体系均发生了半导体到半金属的转变,这说明吸附体系中单层CrI3电子性质的改变不受Cr中电荷转移的影响。第二,计算分析碱金属（Li、Na、K、Rb）及H、O吸附单层CrI3后体系的电子性质变化。通过能带结构图、态密度图和分态密度图分析了所有吸附体系在吸附覆盖率为12.50%时的电子性质变化以及轨道贡献。碱金属吸附后单层CrI3晶体由半导体转变为半金属,并在较低吸附覆盖率时这种电子性质就已经转变发生。H、O吸附后单层CrI3依然保持半导体,但O-CrI3的带隙明显减小。半金属具有完全自旋极化特征,对纯自旋的产生、注入以及传输具有很大的优势,在自旋电子学领域具有巨大潜力。第三,计算分析碱金属（Li、Na、K）及H吸附单层CrI3后体系的磁学性质变化。探究了吸附体系的局部自旋磁矩、磁各向异性能（MAE）、磁交换能（?E）、交换耦合常数（J）和居里温度（Tc）在不同吸附覆盖率下的变化,其中J与Tc通过平均场方法进行估算。除H-CrI3在吸附覆盖率3.125%时发生钝化后局部自旋磁矩减小外,吸附体系的局部自旋磁矩随着吸附覆盖率的增大呈线性趋势增加。碱金属吸附体系的MAE随着吸附覆盖率的增大呈反向增大趋势,易磁化轴均由面外方向转为面内方向。吸附覆盖率从0%到12.50%,K-CrI3的MAE变化最为显著从0.745 me V/Cr转变为-5.040me V/Cr,相差约6.8倍。H-CrI3的MAE发生了两次易磁化轴方向的翻转。所有吸附覆盖率下,吸附体系的?E、J和TcMFT与本征时相比均有所提高。值得注意的是吸附覆盖率在9.375%和12.50%时,H-CrI3的TcMFT达到了室温以上,分别为386 K和432 K。这些结果说明碱金属及H的吸附能够稳定提高单层CrI3的铁磁稳定性与Tc并使MAE具有一定程度的可调谐性,这为磁性材料铁磁稳定性和Tc的提高、磁各向异性（MA）的可调控性带来新思路。并且为制备出室温下能够正常工作的磁性半导体材料、磁性材料存储功能的开发与自旋电子器件的应用提供了具有一定价值的参考信息。
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