【摘 要】
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近年来,二维材料因其独特且丰富的物理化学性质吸引了凝聚态物理、量子化学及材料科学等领域学者们的关注。正如石墨烯一样,探究各种高质量的新型二维材料不仅对认识二维极限下新的物理现象非常重要,也为其在诸如电子、光电子、化学化工等领域的基础应用增加了可能性。与此同时,实验上发现单层的三卤化铬Cr X3（X=Cl,Br,I）具有本征铁磁性,这一发现为二维材料在自旋电子学领域的应用提供了非常优越的物理平台。值
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近年来,二维材料因其独特且丰富的物理化学性质吸引了凝聚态物理、量子化学及材料科学等领域学者们的关注。正如石墨烯一样,探究各种高质量的新型二维材料不仅对认识二维极限下新的物理现象非常重要,也为其在诸如电子、光电子、化学化工等领域的基础应用增加了可能性。与此同时,实验上发现单层的三卤化铬Cr X3（X=Cl,Br,I）具有本征铁磁性,这一发现为二维材料在自旋电子学领域的应用提供了非常优越的物理平台。值得注意的是,CrI3的磁性与其层数及层间堆叠方式相关,这种磁耦合的可调性使得CrI3在磁性传感器及信息存储等方面有巨大的应用前景。本文基于第一性原理计算,探究了60°扭转的双层CrI3的层间磁性相互作用,结果表明这种可调的层间耦合为双层CrI3在晶体管及压力传感器等器件的实际应用提供了基本的依据。本文的主要研究内容如下:1.我们探究了不同堆叠方式对双层CrI3层间磁性耦合的影响。通过比较不同结构的基态能量以及不同磁性配置的层间交换能,我们发现通过旋转和平移来调节双层结构可以切换层间的磁性耦合。计算结果显示,在双层CrI3中,大多数横向位移都显示铁磁性的层间相互作用,但是在AA-堆叠附近有较强的层间反铁磁相互作用。同时,在扭转的双层Cr Br3和Cr Cl3中也表现出了类似的性质,只不过相较于CrI3而言,它们的层间磁性相互作用相对较弱。此外,我们研究了载流子掺杂以及施加双轴应变对AA-堆叠的反铁磁层间作用的影响,结果表明相比空穴掺杂,电子掺杂能够有效地增强层间铁磁相互作用。而压缩应变只能够将层内的铁磁相互作用转变为反铁磁相互作用。2.通过基于磁力原理的Python程序包TB2J,我们研究了AA-堆叠的双层CrI3中反铁磁层间交换相互作用的来源,发现它主要源于eg-eg轨道相互作用,并通过原子中的(92-pz-pz-(92路径贡献。这为进一步从微观角度理解低维系统的磁性相互作用提供了有效的途径。此外,我们发现在双层CrI3中,层间相互作用的强度以指数方式依赖于层间距离,并且对外部压力非常敏感。由于这一特殊特性,基于AA-堆叠的双层CrI3也可以用作压力传感器。本论文的研究结果为调控双层CrI3中的层间磁耦合提供了理论依据,同时也为研究其它层状磁性材料的可调磁性提供了新的思路。
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