二维铁磁材料Fe2X(X=Si,Ge)和MnSTe/MnSeX(X=S,Te)磁各向异性的调控研究

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二维铁磁材料的发现,为研究原子级厚度材料的物理性质提供了广阔的拓展空间。伴随着对铁磁材料的深入研究,我们发现磁各向异性在未来密度高、速度快、能耗低的信息储存和自旋电子学等众多领域中具有潜在应用。本文利用第一性原理方法,主要研究了双轴应变对单层Fe2Si和Fe2Ge的磁各向异性(MA)和居里温度(Tc)的影响,分析了其内在的物理机制,为下一代新型自旋电子学器件的功能化开发与设计提供了理论指导。基于密度泛函理论,着重探究了由Janus MnXY(X,Y=S,Se,Te)构筑的二维铁磁范德华异质结,其中主要针对二维MnSTe与MnSeX(X=S,Te)异质结进行基本特性的研究,以及异质结堆垛方式不同对磁各向异性的影响。我们计算Janus MnSTe与MnSeX(X=S,Te)组成的八种异质结的磁基态,其稳定磁态均为铁磁态。本论文的主要结论如下:(1)单层Fe2Si和Fe2Ge属于金属铁磁性二维材料,具有约780 K和460 K的居里温度和强垂直磁各向异性。对二维Fe2Si和Fe2Ge施加-5%至5%的应变,得出磁基态均为铁磁态,并从内在机制角度解释在压缩应变下铁磁态加强的机理。为了探究应变对MA的作用机理,我们进一步分析了Fe原子d分轨道对磁各向异性能的贡献。随着拉伸应变的增加,dxy/dx~2-y~2轨道相互作用下的正贡献增加,dyz/dz~2轨道相互作用下的负贡献减少。基于自旋轨道耦合(SOC)的二阶摄动理论,深入分析轨道分波密度,总结出磁各向异性能的增强是由配体场分裂能的增强和交换分裂能的减少引起的。此外蒙特卡罗(MC)模拟结果表明,在-5%至5%的应变范围内,随着压缩应变的增加,单层Fe2Si的Tc从600 K增加到890 K,Fe2Ge的Tc从380 K增加到700 K。相对于单层Fe2Si来说,Fe2Ge对压缩应变较为敏感,在5%压缩应变下Tc从560 K降到室温附近(380 K),可以应用于对应变和温度敏感的设备。这些结果表明,单层Fe2Si和Fe2Ge具有较高的磁各向异性能和居里温度,施加应变可以实现对二维铁磁材料的磁各向异性以及居里温度有效调控,对高密度数据存储和自旋电子学器件的开发与设计具有重要意义。(2)对于Janus MnSTe与MnSeX(X=S,Te)构筑的二维铁磁材料范德华异质结,我们深入分析发现MAE主要来自于磁性原子Mn原子d轨道和重原子Se/Te原子p轨道之间的相互作用。当重原子处于异质结耦合界面处时,层间相互作用增大,同时异质结耦合界面处原子改变对磁各向异性的方向和大小都有不同程度的影响。TeMnS和Se MnS所构成的四种异质结构型中,TeMnS/Se MnS异质结具有面外磁各向异性,MnSTe和MnSeTe所构成的四种异质结构型具有垂直磁各向异性,其中TeMnS/Se MnTe具有最大磁各向异性,为0.698 meV。总得来说,堆垛方式的改变很大程度上提高了范德华异质结的磁各向异性能,为研究二维铁磁范德华异质结的磁学特性提供了新的研究思路,为实验中的方案设计提供了理论依据。
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