三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.     

过渡金属原子掺杂的锯齿型磷烯纳米带的磁电子学特性

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了掺杂铁、钴和镍原子的锯齿型磷烯纳米带(ZPNR)的磁电子学特性.研究表明,掺杂和未掺杂ZPNR的结构都是稳定的.当处于非磁态时,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR为半导体,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR为金属.自旋极化计算表明,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR无磁性,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR有磁性,但只能表现出铁磁性.处于铁磁态时,掺杂铁原子的ZPNR为磁性半导体,而掺杂镍原子的ZPNR为磁性半金属.掺杂铁或者镍原子的ZPNR的磁性主要由杂质原子贡献,产生磁性的原因则是在ZPNR中存在未配对电子.掺杂位置对ZPNR的磁电子学特性有一定的影响.该研究对于发展基于磷烯纳米带的纳米电子器件具有重要意义.     

掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.     

碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测

紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料,研究掺杂效应有助于理解其物理本质,对进一步开发纳米电子器件具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了非金属元素B,C,N,O掺杂单层紫磷烯的电磁性质.计算结果表明,B和N掺杂之后没有产生磁性,体系依旧表现为非磁性半导体;而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂,紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体,其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上.电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转,当施加一定大小的正向或反向的静电场时,能带色散程度变强,氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体.基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转,表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.     

氧化物稀磁半导体的研究进展

稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性,并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。本文主要介绍ZnO、In2O3等氧化物稀磁半导体的研究进展,一是从实验角度介绍其制备、结构、磁性、电输运性质等特性;二是从理论角度对其磁交换能、电子结构、居里温度和磁性产生的机制进行阐述;三是在稀磁半导体的基础上进一步延伸,介绍其相关的异质结构的磁电阻效应,并在文章的最后对氧化物稀磁半导体的研究进行总结和展望。     

金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.     

稀磁半导体--自旋和电荷的桥梁

稀磁半导体可能同时利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件．尤其是铁磁半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展．室温铁磁半导体材料的制备，半导体材料中有效的自旋注入，以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题．稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质，这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础．     

自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现的巨磁电阻(GMR)效应,是基于自旋的新电子学的开始.文章介绍观察效应的物理基础,以及这些效应和材料在信息存储上的应用.GMR硬盘(HDD)已经形成了数十亿美元的工业;其后发现的室温隧道磁电阻(TMR)效应已用于制造新的磁随机存储器(MRAM),它正在开创另一个数十亿美元的工业.自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子,而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子,即空穴和电子.电子自旋特性进入半导体电子学,为新的器件创造了机会.为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去,需要解决磁性原子自旋极化状态的控制,以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测.评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵.     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

TM掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体电磁性质的第一原理计算

使用基于自旋局域密度泛函理论的第一性原理方法对3d过渡金属(TM=V，Cr，Mn，Fe，Co和Ni)掺杂的Ⅲ-Ⅴ族半导体(GaAs和GaP)的电磁性质进行了计算.结果发现：用V，Cr和Mn掺杂时体系将出现铁磁状态，而Fe掺杂时将出现反铁磁状态，Co和Ni掺杂时，其磁性则不稳定.其中，Cr掺杂的GaAs和GaP将可能是具有较高居里温度的稀磁半导体(DMS).在这些DMS系统中，V离子的磁矩大于理论期待值，Fe，Co和Ni离子的磁矩小于理论期待值，Cr和Mn离子的磁矩与期待值的差距取决于晶体的对称性以及磁性离子的能带分布.此外，使用Si和Mn共同对Ⅲ-Ⅴ族半导体进行掺杂，将有利于DMS表现为铁磁状态，并可以使体系的T_C进一步提高. 关键词： 稀磁半导体 过渡金属 掺杂 共掺杂     

二维硼碳基纳米结构上的吸附及其性质

综述金属原子与非金属原子和分子在石墨烯、BC₃平面等二维硼碳基纳米结构上的吸附所表现出的各种物理性质及可能的应用.纯净的石墨烯为零带隙的半金属、无磁且自旋轨道耦合效应非常弱,BC₃平面为间接带隙半导体,但金属原子与非金属原子和分子的吸附可能使石墨烯体系在Dirac点处打开带隙、具有强自旋轨道耦合效应,可能使石墨烯体系与二维BC₃体系具有磁有序、超导电性及应用在氢存储上.另外石墨烯表现出非常好的分子探测性能.     

Structural,electronic,and magnetic behaviors of 5d transition metal atom substituted divacancy graphene:A first-principles study

Structural, electronic, and magnetic behaviors of 5d transition metal(TM) atom substituted divacancy(DV) graphene are investigated using first-principles calculations. Different 5d TM atoms(Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, and Pt) are embedded in graphene, these impurity atoms replace 2 carbon atoms in the graphene sheet. It is revealed that the charge transfer occurs from 5d TM atoms to the graphene layer. Hf, Ta, and W substituted graphene structures exhibit a finite band gap at high symmetric K-point in their spin up and spin down channels with 0.783 μB, 1.65 μB, and 1.78 μB magnetic moments,respectively. Ir and Pt substituted graphene structures display indirect band gap semiconductor behavior. Interestingly, Os substituted graphene shows direct band gap semiconductor behavior having a band gap of approximately 0.4 e V in their spin up channel with 1.5 μB magnetic moment. Through density of states(DOS) analysis, we can predict that d orbitals of 5d TM atoms could be responsible for introducing ferromagnetism in the graphene layer. We believe that our obtained results provide a new route for potential applications of dilute magnetic semiconductors and half-metals in spintronic devices by employing 5d transition metal atom-doped graphene complexes.     

双层h-BN/Graphene结构稳定性及其掺杂特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了双层h-BN/Graphene的稳定性及其掺杂特性.研究发现,双层h-BN/Graphene能带结构在K点处有一个小的带隙,在费米能处有类Graphene的线性色散关系.通过施加应变和掺杂来调节带隙,发现掺杂后费米能级附近引入的新能级,主要是N原子的贡献,掺杂后的Na原子和N,C之间存在电荷转移,材料转变为金属性.电荷的转移、载流子密度的增加,在电子元器件中有重要的应用前景.     

Induction of an atomically thin ferromagnetic semiconductor in 1T′ phase ReS2 by doping with transition metals

Two-dimensional 1T′ phase ReS₂, a transition metal dichalcogenide, has a unique structure and electronic properties that are independent of thickness. The pure phase is a nonmagnetic semiconductor. Using density functional theory calculations, we show that ReS₂ can be tuned to a magnetic semiconductor by doping with transition metal atoms. The magnetism mainly comes from the dopant transition metal and neighboring Re and S atoms as a result of competition between exchange splitting and crystal field splitting. ReS₂ doped with Co can be considered as a promising diluted magnetic semiconductor owing to its strong ferromagnetism with long-range ferromagnetic interaction, high Curie temperature (above room temperature) and good stability. These findings may stimulate experimental validation and facilitate the development of new atomically thin diluted magnetic semiconductors based on transition metal dichalcogenides.     

双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性

基于密度泛函理论,计算了外来原子X(Al,P,Ga,As,Si)双空位替代掺杂氟化石墨烯的电子特性和磁性.通过对计算结果分析发现,与石墨烯的双空位掺杂类似,氟化石墨烯的双空位掺杂也是一种较为理想的掺杂方式.通过不同原子掺杂,氟化石墨烯的电子性质与磁性均发生很大变化:Al和Ga掺杂使氟化石墨烯由半导体变为金属,并且具有磁性;P和A8掺杂使氟化石墨烯变为自旋半导体;Si掺杂氟化石墨烯仍是半导体,只改变带隙且没有磁性.进一步讨论磁性产生机制获得了掺杂原子浓度与磁性的关系,并且发现不同掺杂情况的磁性是由不同原子的不同轨道电子引起的.双空位掺杂不仅丰富了氟化石墨烯的掺杂方式,其不同电磁特性也使此类掺杂结构在未来的电子器件中具有潜在应用.     

Magnetic and electronic properties of two-dimensional metal-organic frameworks TM_3(C_2NH)_(12)

The ferromagnetism of two-dimensional(2 D) materials has aroused great interest in recent years, which may play an important role in the next-generation magnetic devices. Herein, a series of 2 D transition metal-organic framework materials(TM-NH MOF, TM = Sc–Zn) are designed, and their electronic and magnetic characters are systematically studied by means of first-principles calculations. Their structural stabilities are examined through binding energies and abinitio molecular dynamics simulations. Their optimized lattice constants are correlated to the central TM atoms. These 2 D TM-NH MOF nanosheets exhibit various electronic and magnetic performances owing to the effective charge transfer and interaction between TM atoms and graphene linkers. Interestingly, Ni-and Zn-NH MOFs are nonmagnetic semiconductors(SM) with band gaps of 0.41 e V and 0.61 e V, respectively. Co-and Cu-NH MOFs are bipolar magnetic semiconductors(BMS), while Fe-NH MOF monolayer is a half-semiconductor(HSM). Furthermore, the elastic strain could tune their magnetic behaviors and transformation, which ascribes to the charge redistribution of TM-3 d states. This work predicts several new 2 D magnetic MOF materials, which are promising for applications in spintronics and nanoelectronics.     

Point defects on graphene on metals

Understanding the coupling of graphene with its local environment is critical to be able to integrate it in tomorrow's electronic devices. Here we show how the presence of a metallic substrate affects the properties of an atomically tailored graphene layer. We have deliberately introduced single carbon vacancies on a graphene monolayer grown on a Pt(111) surface and investigated its impact in the electronic, structural, and magnetic properties of the graphene layer. Our low temperature scanning tunneling microscopy studies, complemented by density functional theory, show the existence of a broad electronic resonance above the Fermi energy associated with the vacancies. Vacancy sites become reactive leading to an increase of the coupling between the graphene layer and the metal substrate at these points; this gives rise to a rapid decay of the localized state and the quenching of the magnetic moment associated with carbon vacancies in freestanding graphene layers.     

Computationally predicting spin semiconductors and half metals from doped phosphorene monolayers

First-principles computations are performed to investigate phosphorene monolayers doped with 30 metal and nonmetal atoms. The binding energies indicate the stability of all doped configurations. Interestingly, the magnetic atom Co doping induces the absence of the magnetism while the magnetism is realized in phosphorene with substitutional doping of nonmagnetic atoms (O, S, Se, Si, Br, and Cl). The magnetic moment of transition metal (TM)-doped systems is suppressed in the range of 1.0-3.97 μ_B. The electronic properties of the doped systems are modulated differently; O, S, Se, Ni, and Ti doped systems become spin semiconductors, while V doping makes the system a half metal. These results demonstrate potential applications of functionalized phosphorene with external atoms, in particular to spintronics and dilute magnetic semiconductors.