论文摘要
自石墨烯成功被剥离,原子层厚度的二维（2D）材料因其独特的物理和化学性质引起了广泛的关注。然而,石墨烯的零带隙限制了其在电子学、自旋电子学和光电子学等方面的应用。为此,很多研究致力于寻找新型2D半导体材料。在2D金属卤化物中,碘化铅（PbI2）是最近合成的单层半导体,是典型的2D金属卤化物半导体。单层PbI2是内秉非磁性的,这将限制其在自旋电子学方面的应用。目前,空位和替代非金属原子对单层PbI2电子结构和磁性的影响尚未报道。值得注意的是,重元素Pb和I具有强的自旋轨道耦合（SOC）作用,可以对PbI2的能带结构有显著的影响。我们采用第一性原理计算方法,系统地研究了I空位和Si、P、S、F、Cl、Br等替代掺杂对单层PbI2的稳定性、几何结构、电子结构和磁性的影响,同时探讨了SOC对替代掺杂的单层PbI2电子能带结构和磁性的影响。铁磁性单层材料可以看成是原子层厚度的铁磁性薄膜,将具有大磁晶各向异性的单层铁磁性材料作为磁记录介质有助于提高磁记录的存储密度。值得注意的是,近两年具有强磁各向异性的铁磁性单层CrI3,VSe2和Fe3GeTe2以及铁磁性二维材料Cr2Ge2Te6相继被实验发现。有关理论研究显示单层RuO2具有铁磁性。考虑到4d、5d重金属元素具有较强的SOC效应及Os与Ru有相似的d轨道价电子,单层RuO2和OsO2可能是具有大磁晶各向异性的二维内禀铁磁性材料。我们采用第一性原理计算方法,系统地研究了单层RuO2和OsO2的稳定性、电子结构和磁晶各向异性,研究了应变对单层RuO2和OsO2磁性能的影响。具备较高垂直各向异性的磁性电极层能有效降低磁性隧道结的磁矩翻转电流密度。基于Ta|CoFeB|MgO的垂直磁性隧道结具有大的隧穿磁电阻（TMR）值和较低的磁矩翻转电流密度,被广泛关注。目前Ta|CoFeB|MgO垂直磁各向异性的起源还存在争议。有关实验表明退火会导致B从非晶CoFeB中迁移,这可以使退火后Ta|CoFeB|MgO的垂直磁各向异性增加。Wang等人通过电子能量损失能谱（EELS）清晰地观察到Ta|CoFeB|MgO|CoFeB|Ta退火后,B从非晶的CoFeB中迁移到金属覆盖层Ta中。我们采用第一性原理计算方法,系统地研究了间隙硼的位置对异质结Ta|CoFeB|MgO磁晶各向异性的影响。本论文的主要研究成果如下:1.计算的I空位和替代掺杂原子的形成能和分子动力学（MD）模拟结果表明对于单层碘化铅,I空位以及非金属原子（F、Cl、Br、Si、P和S）替代I掺杂在适当的实验条件下是可能实现的。由于F、Cl、Br和I的价电子数量相同,F,Cl和Br掺杂的碘化铅Pb16I31F、Pb16I31Cl和Pb16I31Br体系是非磁性的。而I空位,Si,P和S掺杂的碘化铅Pb16I31、Pb16I31Si、Pb16I31P和Pb16I31S体系的基态是磁性的,I空位、掺杂S、P和Si原子产生的磁矩分别为1.0μB、1.0μB、2.0μB和3.0μB。磁矩的分布与掺杂原子与其相邻的Pb与I原子之间、空位附近Pb原子与I原子之间的p轨道杂化有关。此外,由于I空位以及非金属原子替代I掺杂的单层碘化铅体系没有空间反演对称性,考虑SOC后,体系的能带产生自旋劈裂。对于Pb16I31、Pb16I31S、Pb16I31P和Pb16I31Si,SOC产生的自旋劈裂比其交换劈裂要小。更重要的是,SOC产生的自旋劈裂没有改变费米能级附近能带的电子占据,因此在考虑SOC后,Pb16I31、Pb16I31S、Pb16I31P和Pb16I31Si体系的磁矩几乎没有改变,Pb16I31F、Pb16I31Cl和Pb16I31Br体系的磁矩仍然为零。我们的研究结果表明,空位以及非金属原子替代掺杂可以导致单层PbI2产生磁性。2.T结构的单层1T-MO2（M=Ru、Os）是稳态并且单层1T-OsO2可能被实验合成。更为重要的,单层1T-MO2（M=Ru、Os）是具有大磁晶各向异性的二维内秉铁磁性材料,其磁矩和磁晶各向异性主要来源于Ru和Os原子的贡献。特别地,由于Os原子具有强的SOC作用,单层1T-OsO2的磁各向异性能高达-42.67meV/cell,且居里温度远高于液氮。值得注意的是,当拉伸应变达2%时,单层1T-OsO2的磁各向异性增加了19%。基于二阶微扰理论,我们通过分析Ru和Os原子d轨道态密度及其d轨道间的自旋轨道耦合相互作用矩阵元对磁晶各向异性能的贡献,揭示了单层1T-MO2（M=Ru、Os）大的磁晶各向异性能主要由Ru和Os原子相反自旋的dxy和dx2-y2轨道间的自旋轨道耦合相互作用矩阵元所贡献。而拉伸应变引起单层1T-OsO2的磁各向异性增大源于Os原子自旋向下dyz和dz2轨道之间的矩阵元对Os原子磁各向异性能的贡献由零变为负。3.异质结Ta|CoFeB|MgO的垂直磁晶各向异性主要来源于MgO|CoFe界面的Co原子层及CoFe|Ta界面的Co原子层和Ta原子层的贡献。进一步地,相比于间隙B在异质结Ta|CoFe|MgO的CoFe合金层内,间隙B在异质结Ta|CoFe|MgO的覆盖层Ta内的垂直磁各异性能明显地增强,而且相比于间隙B在异质结Ta|CoFe|MgO的CoFe|Ta界面的CoFe层面上,间隙B在异质结Ta|CoFe|MgO的CoFe|Ta界面的Ta层面上的垂直磁各异性能也明显地增强。这些结果表明间隙B迁移到Ta覆盖层是退火后Ta|CoFeB|MgO垂直磁各向异性增加的原因。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王艳杰
导师: 闫羽
关键词: 二维材料,异质结,电子结构,磁晶各向异性,自旋轨道耦合,第一性原理计算
来源: 吉林大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 吉林大学
分类号: O472
总页数: 115
文件大小: 5379K
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