单层CrI3在衬底上生长机制和磁性调控的理论研究

CrI3 monolayer as an unique ferromagnetic semiconductor, has great potential in application of spintronic devices. To realize its high-yield production and utilization, study on its growth mechanism and physical properties are significant. In this project, the configurations and properties of CrI3 precursors and monolayer on substrates will be investigated by using first-principles calculations. By analyzing the regulation evolution of precursors, the complicated growth behavior of sandwich-like CrI3 monolayer is supposed to be explained. At the same time, the important role of magnetism in CrI3 monolayer during its growth will be revealed. Further, the electronic and magnetic properties of CrI3 monolayer on substrates with different activity and strain will be calculated to figure out the complex coupling interactions between them. At last, according to the growth mechanism, structure stability, electronic and magnetic properties of CrI3 monolayer on substrates, several substrates will be predicted as to be favorable to realize the production and utilization of CrI3 monolayer in spintronic devices.

单层CrI3具有独特的铁磁半导体性质，在自旋电子器件中有巨大的应用潜能。为了促进单层CrI3的大规模生产和器件应用，对其生长机制和磁学性质的研究至关重要。本项目拟运用第一性原理方法，对CrI3前驱体和单层在衬底上的结构、性质进行理论研究。通过分析前驱体构型的演变规律，阐明三明治式单层CrI3的复杂生长机制，揭示磁性在二维材料生长中起到的作用。探究单层CrI3电学和磁学性质随衬底活性与应力的变化规律，深入理解磁性单层与衬底的耦合作用。最后，根据单层CrI3在衬底上的生长机制、结构稳定性、电学和磁学性质，筛选出适用于单层CrI3实验合成和器件应用的衬底。

单层CrI3具有独特的铁磁半导体性质，在自旋电子器件中有巨大的应用潜能。为了促进单 层CrI3的大规模生产和器件应用，对其生长机制和磁学性质的研究至关重要。本项目运用第一性原理方法，对单层CrI3的微观生长机制和外部作用下的性质调控进行了探究。首先，揭示了单层CrI3在Si(111)衬底上的微观生长机制。发现裸露的Si(111)衬底在化学气相沉积过程中会被碘化，形成一个I过渡层。通过控制实验条件，将CrIx的前驱体控制为CrI2团簇，并结合CrI2为构筑单元的聚集生长模式就能获得单层的CrI3。在这种生长机制中，I过渡层和CrI2构筑单元缺一不可。其次，计算了7种不同活性衬底上第二层CrI3的吸附能，发现化学活性弱的衬底更适合多层CrI3的制备，而化学活性适中的衬底更适合单层CrI3的制备，例如Si和Cu衬底。与此同时，我们成功在氟金云母上长出了花朵形状的CrI3单层纳米岛。这种特殊的形状来自衬底表面自由的K离子和I离子形成的KIx过渡层。此外，Si(111)衬底支撑的单层CrI3能够保持原有的磁基态和磁矩大小。结合硅基材料的高兼容性，得出结论，Si(111)衬底可用于单层CrI3的生长和未来器件应用。实际的生产制备过程不可避免地会向单层CrI3引入杂质和系统应力。为了促进单层CrI3的实际应用，本项目最后探究了应力和Br掺杂对单层CrI3物理性质的调控作用。我们发现，面内双轴应力(−4%～4%)和Br合金化方法可以协同控制单层CrI3的电子性质，将体系带隙由0.66 eV连续调节到1.70 eV。相比应力，掺杂对单层Cr2I6−xBrx带隙的影响更大。与此同时，单层Cr2I6−xBrx的总磁矩始终维持在2.91～3.00 μB/CrX3之间，并保持独特的铁磁性，意味着单层Cr2I6−xBrx的磁性具有鲁棒性。上述研究结果说明单层CrI3有望被实验合成并应用到柔性自旋电子等器件中。通过本项目的研究， J. Phys. Chem. Lett.、Appl. Surf. Sci.、Nanoscale等国际期刊上共发表了7篇学术论文，其中第一/通讯作者论文6篇，影子因子大于3的论文6篇。