二维非范德瓦尔斯半导体的本征铁磁机制研究

The development of ultrathin 2D intrinsically ferromagnetic semiconductors (2DIFS) is essential and of great interest to semiconductor spintronics. Although many efforts have been devoted to the study of new 2DIFS, only few of them are known. This is mainly owing to the fact that the old-fashion way of materials research is not suitable for new 2DIFS, the non- van der Waals (vdW) bonded materials are almost neglected during the study, the inherent relationship of crystal structures and ferromagnetism has not been well understood, and the design rule for 2DIFS is unclear. Our previous works indicate that the 2D vdW metal oxides, oxyhalides, and perovskites are potential high-performance 2DIFS, however, there is no study on the non-vdW bonded counterparts to date. Therefore, taking advantage of first-principles high-throughput calculations, trans-scale simulations, and experimental verification, this project intends to explore the association rule of the structure-properties in 2DIFS and to establish a clear physical picture and understanding on the manipulation of the ferromagnetic and transport properties of 2DIFS. Furthermore, as a result of this project, new optimization strategies and design guidelines for high-performance 2DIFS will be proposed, which will benefit to the further understanding of 2D intrinsic ferromagnetism and provide a theoretical basis for the development of the 2DIFS.

超薄二维本征铁磁半导体(2DIFS)对半导体自旋电子学具有至关重要的意义，但目前被发现的体系屈指可数。究其主要原因是：先前的研究几乎忽略了所有非范德瓦尔斯力结合的半导体材料；2DIFS的晶体结构与铁磁性等内在关联机制不清晰且其材料设计准则不明确；传统的材料研发模式已难以满足快速发展新型2DIFS的需求。我们的前期工作表明，含磁性元素的二维金属氧化物和氧卤化物等范德瓦尔斯晶体，是非常有潜力的2DIFS。因此，我们预测其非范德瓦尔斯材料中也存在2DIFS，但至今尚未有相关报道。本项目拟针对以上亟待解决的科学问题和难点，结合第一性原理高通量计算、跨尺度模拟和实验验证等多种方法，探索新型2DIFS及其晶体结构与本征铁磁性的关联规律，建立调控铁磁及输运性质的物理模型，并提出优化材料性能的方案和设计2DIFS的准则。本项目的研究成果将加深对二维本征铁磁机制的认识，并为新型2DIFS的研发提供理论基础。

基于铁磁半导体的自旋电子器件，具备功耗低、速度快、信息存储密度高和数据保持力强等特性，且可望实现存算一体化，在未来信息技术和量子计算等具有广阔应用前景。该项目将材料大数据、高通量计算、跨尺度模拟和实验合成表征等有机结合，发掘二维MOX半导体及相关潜在磁性材料，预测其结构和性质等关键信息，揭示其内在的物理及化学图像，获得候选材料的结构、电学、磁性和输运性质；阐明了结构模型、电子结构、化学键与输运及磁性性质的内在关联，揭示影响关键性质的因素及其内在的物理及化学图像，发展了磁性及输运性质调控机制的物理模型，并建立了材料设计准则和性能优化措施。主要进展包括：i. 设计了具有平面外不对称性的新二维Janus铁磁体Cr2O2XY。发现从初始的Pmm2相的CrOX化合物中得到的二维Pmm2相的Cr2O2XY晶体是亚稳的。由于结构相转变，Pma2结构的Cr2O2XY晶体更加稳定，具有更低的总能量和更好的稳定性。Pma2 结构的Cr2O2XY单层是本征铁磁态半导体，且都可通过实验制备。通过施加单轴压应变，Cr2O2ClI单层实现了从铁磁态半导体转变为反铁磁半导体/金属的量子相转变。ii. 预测了性能优异的新型三方YOBr和单层晶体。与已知实验相比，发现三方YOBr在能量、动力学和力学上均稳定，且显示出较低能量。揭示了在静水压下体相YOBr晶体发生从R-3m到P4/nmm相的结构转变，并伴随着间接-直接的带跃迁。通过进一步探索相关的金属卤氧化物MOX晶体的剥离能，发现可通过类似石墨烯的机械裂解方法制备单层。这些MOX单层具有出色的稳定性，超宽带隙和高载流子迁移率。单轴应变下的ScOCl和三方YOBr单层发生间接-直接带隙跃迁。此外，这些MOX单层膜具有出色的紫外光吸收率和明显的能带边缘，表明其在紫外光电子和光催化领域具有巨大应用前景。iii. 发现二维直接带隙半导体In2Ge2Te6具有出色的综合性能。与目前最有效的单结GaAs太阳能电池相比，这些材料在整个可见太阳辐射光谱范围内表现出显著光吸度，且具有很高的理论功率转换效率。在静电载流子掺杂下，可在单层In2Ge2Te6中实现新型的量子相变，表明其在纳米级自旋电子器件中的潜在应用。此外，揭示了可通过施加vdW压力来调整该体系堆垛特性。本项目研究成果促进了二维半导体的理论设计和实验发现，并为新二维本征铁磁半导体及器件的研发提供理论支撑。