二维六方形氮化钛的第一性原理计算

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自从在层状石墨中成功剥离出单层六角石墨(称为石墨烯)以来,石墨烯具有的独特的物理化学性质以及优越的性能激发了人们对其它二维材料的研究热情,其中磁性二维材料能广泛应用于高能效超紧凑型自旋电子学器件(例如高密度数据存储,高集成密度,低功耗和高操作速度),因而寻找和设计稳定的具有本征磁性的二维材料是非常有必要的,这也是当前的一个研究热点之一。最近,实验上发现了一些有清晰的铁磁性的二维层状材料,引发了人们开发新型低维磁性材料的极大兴趣。尤其是二维本征铁磁半导体,它们具有铁磁性和半导体性质双重属性,将硅基半导体技术应用到二维本征铁磁半导体,能够推动现代芯片的发展,使得芯片可能汇集多种功能(例如计算、存储、通信和信息处理)。这些芯片的数据传输速度大大提高,能量耗损可以进一步降低,且存储的数据不容易丢失,非常有希望引导信息技术发生革命性的变化。随着密度泛函理论的发展和第一性原理计算方法的改进,从理论上有目的和依据去设计新型的二维磁性材料,指导实验进行合成是非常有意义的.本论文通过稳定性,电子结构和磁性的基于密度泛函理论的第一性原理计算,预测二维类石墨烯型TiN(h-TiN)是稳定的二维本征磁性半导体,并进一步考察了应变对电子结构和磁性的效应。此外,还使用形变势理论和玻尔兹曼输运理论,计算了h-TiN输运性质。主要的工作成果包括以下几点:(1)探究了二维六角形结构的氮化钛(h-TiN)的稳定性及可行性。首先计算了二维h-TiN的结合能,形成能和解离能,其次研究二维h-TiN的声子色散关系,最后通过分子动力学模拟考察了二维h-TiN的热稳定性。计算结果表明,声子谱中没有虚频表明二维h-TiN动力学上是稳定的。较大的结合能表明二维h-TiN中Ti-N键的键合程度比较强,并且负的形成能表明通过一定的手段(最常见的分子束外延)合成二维h-TiN具有可行性。大的解离能表明从TiN块体通过力学剥离而获得h-TiN的可能性很小。分子动力学模拟表明二维h-TiN具有良好的热力学稳定性,甚至可以在700 K的高温下稳定存在。(2)计算了二维h-TiN的电子和磁性质,主要包括能带结构、总态密度(TDOS)和分波局域态密度(PDOS)。结果表明,二维h-TiN是本征磁性半导体材料,其中自旋向上的带隙和自旋向下的带隙分别为1.33和4.42 e V。平均场估计的二维h-TiN的居里温度约为205 K。二维h-TiN易磁化轴在二维平面内,其磁各向异性能远远大于一些常见的三维磁性材料。(3)探究了双轴应变对于二维h-TiN的电子结构和磁性性能的影响。对h-TiN进行从-4%到4%的双轴压缩和拉伸应变计算表明,应变不会提高居里温度,而是随应变的增加而以抛物线型单调下降。自旋向上带隙随应变变化成上升趋势,自旋向下带隙随应变变化成下降趋势,但二维h-TiN的应变对于磁矩影响不大,因而二维h-TiN对应变有坚实的铁磁半导体行为。(4)最后是预测了二维h-TiN的输运性能,主要包括载流子迁移率,弛豫时间和电导率。结果发现二维h-TiN具有较大的硬度,电子的迁移速率远远大于空穴的迁移速率,且其电导率远远大于一些常规的半导体。
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