单层CrI3带电点缺陷性质的理论研究

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单分子层三碘化铬(CrI3)是一种具有本征磁性的二维半导体材料,在低维磁性器件上有很大的应用价值。我们基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理研究了单层CrI3本征点缺陷的带电性能,包括结构、热力学稳定性、电子性质及磁性质等。首先,我们通过评估Cr的化学价态,搭建了具有1+、1-和0三种不同电荷态的缺陷结构。计算了具有不同晶胞尺寸的本征缺陷单铬空位VCr,单碘空位VI,双铬空位VCr2,双碘空位VI2及铬间隙In Cr等在不同带电状态下的离化能,同时使用一种方法得到了不依赖体系尺寸大小的真实的离化能。接着,由得到的离化能对CrI3带电缺陷体系的形成能进行修正,我们根据不同环境(富Cr或富I)下带电点缺陷的形成能的变化,评估不同带电缺陷结构的稳定性。计算结果表明,富Cr和富I条件下,缺陷VI和VCr具有较高的热力学稳定性。而且除了In Cr,其他缺陷都表现为深能级缺陷。缺陷种类和带电荷量的不同会导致了材料表现为N型或P型掺杂。值得注意的是,对于VI而言,其过渡能级不在带隙内,VI2的过渡能级在经过修正之后表现为深能级的施主缺陷,所以二者均不能为增加自由载流子浓度做贡献。最后,我们探究了各种带电缺陷的磁性质及磁基态。我们考虑了铁磁(FM)以及Néel反铁磁(Néel-AFM)、Zigzag反铁磁(Zigzag-AFM)和Stripy反铁磁(Stripy-AFM)三种反铁磁构型,结果发现所有缺陷,无论处于中性还是带电状态,都表现为FM磁相。结合海森堡模型,我们计算了缺陷的居里温度TC,结果发现,所有缺陷的居里温度都高于完美CrI3的值(TC=48.2K)。本文的研究内容,证明了新型解决二维带电缺陷体系能量发散问题方法的普适性,而且为更好地理解CrI3的缺陷行为提供了理论指导。
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