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闫循旺教授课题组在超薄二维材料结构和磁性的研究中取得系列成果

yabo亚搏网页版:发布时间:2022-09-26文章来源: 浏览次数:


二维材料可分为单原子层二维材料和多原子层二维材料,如石墨烯和二硫化钼。单原子层二维材料中,原子处于平面二维晶场中,而对多原子层二维材料,原子仍然处于三维晶体场中,因此从原子的结合方式到电子结构,单原子层二维材料都属于一类比较特别的材料。

从元素构成上看,这类单原子层二维材料通常由III~V主族元素组成,如石墨烯,硼烯、六方氮化硼等。其原子外层电子为p电子,多通过sp2杂化形成共价键,形成二维六方晶格。这类材料晶体结构和元素成分比较单一,尤其是这类材料缺少d电子态,很大程度上限制了其物理性质的多样性。如果在这类单原子层二维材料中引人过渡金属,将极大的丰富这类材料的物理特性。相当于在石墨烯丰富性质的基础上再增加一个自旋自由度,得到一个“磁性石墨烯”或者“强关联石墨烯”。

从另一方面看,在凝聚态物理的诸多新奇现象中,电子间的强关联和电荷与自旋间的关联占了主要部分,如高温超导和量子自旋霍尔效应,通常出现在含d电子态的过渡金属化合物中。如果能制备出单原子层二维过渡金属化合物,这些体相中的物理现象在二维材料中的对应现象是什么,值得期待。同时,二维极限下,更容易澄清体系中的电子相互作用,揭示物理现象的发生机制。这样,单原子的二维过渡金属化合物,将为解决凝聚态物理中的一些复杂问题,验证已有的理论模型提供更方便的研究平台和实际对象。

从应用前景看,单原子层的二维过渡金属化合物,非常符合器件小型化的要求,可作为量子器件和自旋电子器件的制备材料。因此,无论从基础研究的角度,还是从应用角度看,单原子层的二维过渡金属化合物材料都有着重要的研究价值。

如何实现这种二维材料呢?近来,我们课题组以电子结构模拟和理论模型求解为主要手段,设计了几种结构,并研究了相关性质。首先,我们注意到MN4M为金属)结构单元为平面构型且能嵌入石墨烯,设计了三种类石墨烯的单原子层钴碳氮化物CoN4C10, Co2N8C6, Co2N6C6,[PHYSICAL REVIEW B 103, 125407 (2021)],发现CoN4C2单层材料呈现出平坦能带和态密度的范霍夫奇点等电子结构特征[PHYSICAL REVIEW B 103, 155411 (2021)]。其次,我们采用张量重整化群方法求解伊辛模型,研究了CrN4C2单层中的铁磁相变[Appl. Phys. Lett. 118, 223104 (2021)]。对于如何提高此类二维材料的铁磁相变温度,建议了两个方法,一是采用磁原子二聚化的方法[J. Phys. Chem. C 126, 10139 (2022),封面文章],二是加上层间耦合[arXiv: 2203.17126]。另外我们研究了这类材料的电子结构的拓扑性质,发现了PtN4C2 Pt2N8C6的量子自旋和谷霍尔效应[PHYSICAL REVIEW MATERIALS 6, 074202 (2022)],从理论上证明MgN4具有极磁阻效应[Nanoscale 2022]。

基于上述研究,最近我们提出一种单原子层二维铬氮化物,如图1,Cr原子间通过N=N短链相连,形成二维正方晶格。此结构中不包含sp2杂化态,与已报道的单原子层二维材料都不相同。沿着Cr-N=N-Cr链,同时存在两个π-d共轭现象(图2a, b),本文中,我们首次提出双π-d共轭效应这一概念。因此,正方晶格的CrN4单层稳定结构来自于这种特别的双共轭效应。二维铁磁性自2017年在实验上实现以来,已经成为该领域重要课题。基于PBE,HSE,SCAN, LDA+U不同泛函的计算数据,通过用Monte Carlo 算法求解海森堡模型,我们确定CrN4单层具有高温铁磁性,居里温度超过300 K(图3),为海森堡模型预测的较高的相变温度。从Cr-N=N-Cr链大π键形成的角度解释了铁磁起源,即Cr原子间的铁磁交换作用起源于半满大π键的媒介作用。

该研究的意义在于预言一种正方晶格的新型二维铁磁材料,提出新的二维结构的稳定机制,提出了新的铁磁耦合的物理图像,首次发现并提出了双π-d共轭的概念。该研究为探寻新的二维铁磁材料开辟了方向。该研究成果发表于[PHYSICAL REVIEW B 106, 125421 (2022)]。

 

上述工作得到了国家自然科学基金资助,与中国人民大学谢志远课题组、北京师范大学马锋杰课题组、宁波大学高淼课题组合作完成,本课题组学生刘大鹏,张烁,冯盼君,刘冰心,刘彤做了大量工作。展示我们近期工作的目的,一方面为得到老师们的批评和指导,另一方面也希望更多的优秀学生报考我们研究组。

 

供稿审核:刘广强

编辑审核:许士通

终审:满忠晓

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