Nano Lett.: 具有增強自旋極化率的2D Fe2Si納米片的室溫鐵磁性

Roay 6年前 (2017-05-06) 4278瀏覽

【引言】

自旋電子學是基于電子自旋進行信息的存儲、傳遞和處理，具有運行速度快、集成度高、能耗低等優勢，因而近年來在科學界和產業界廣受關注。通常，具有大的自旋極化率、高的居里溫度(T_c)和大的磁晶各向異性能(MAE)的鐵磁晶體被認為是構筑室溫下工作的電子自旋器件的基礎。隨著低維材料研究的深入，特別是石墨烯的發現，發展具有上述特性的低維鐵磁晶體成為了研究的熱點，但由于低產率及缺陷等問題，實驗制備低維鐵磁晶體仍然面臨巨大挑戰。第一性原理計算可以對材料的性質進行預測，從而對材料進行初步篩選，極大提高實驗科學家的工作效率，縮短材料研發周期。因此采用第一性原理進行低維鐵磁晶體的結構設計及性能預測成為了電子自旋材料研究的重要手段，正有力推進著電子自旋器件的研發工作。

【成果簡介】

近日，中國科技大學武曉君教授(通訊作者)等人通過第一性原理計算報道了一種具有增強自旋極化率和室溫鐵磁性的新型2D Fe₂Si納米片。該納米片具有三角晶格結構，六配位的Si和Fe原子形成準平面。Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06)雜化泛函計算顯示基態的2D Fe₂Si是具有鐵磁性的半金屬，在費米能級具有100%的自旋極化率；而聲子譜和從頭計算分子動力學(AIMD)模擬顯示其具有高的熱力學穩定性，2D晶體結構可保持到1200K以上。基于Ising模型的蒙特卡洛模擬預測2D Fe₂Si晶體的居里溫度可超過780K，而且可以通過雙軸應變調控。優異的磁學性能使得2D Fe₂Si納米片在納米電子自旋器件領域非常具有應用前景。相關研究結果以“Room-Temperature Ferromagnetism in Two-Dimensional Fe₂Si Nanosheet with Enhanced Spin-Polarization Ratio”為題于2017年4月25日在Nano Lett.上在線發表。

【圖文導讀】

圖1：從六方Fe₂Si晶體上獲取2D Fe₂Si片

(a, b)六方Fe₂Si塊晶體結構的俯視圖和正面視圖；

(c) HSE06雜化泛函計算的六方Fe₂Si塊體的自旋極化能帶結構和態密度。能帶結構中的藍色和紅色實現分別代表自旋向上和自旋向下的能帶。主自旋極化通道和次自旋極化通道的態密度分別用↑和↓表示。費米能級設為0。Γ(0.0, 0.0, 0.0), A(0.0, 0.0, 1/2), H(-1/3, 2/3, 1/2), K(-1/3, 2/3, 0.0), M(0.0, 1/2, 0.0), L(0, 1/2, 1/2)代表第一布里淵區中高對稱的k點；

(d)2D Fe₂Si晶體結構的俯視圖和正面視圖。

圖2：2D Fe₂Si納米片的熱力學穩定性