原子层厚度的二维过渡金属化合物材料的理论设计

The novel properties of two-dimensional atomic crystals have promised the great potential in future applications. However, the lack of ordered spin structures in two-dimensional atomic crystals has blocked its applications in spintronics. Therefore, one of the most important topics is how to fabricate two-dimensional atomic crystals with high-temperature ordered spin structures. In this proposal, based on first-principles calculations and molecular dynamics, we will study the possiblity of atomic two-dimensional transition-metal (TM) compounds with ordered spin structures through addressing the following issues: 1) Through theoretical simulations, we study the possibility of getting atomic two-dimensional transition-metal (TM) compounds from the bulk structures, and explored the intrinsic mechanics response for the structural transition. 2) By studying the magnetic and electronci properties of the atomic two-dimensional TM compounds, we explore the quantum confinement effect on the magnetism, and select the potential high-temperature magnetic materials. 3) Based on the above results, we will investigate the possible ways to tune the magnetism of the atomic two-dimensional TM compounds, such as gate voltage . Through our studies, we will provide some theoretical insights for the further experimental research.

原子层厚度的二维材料具有很多新颖的物理性质, 具有广泛的应用前景。但是本征的此类材料基本都不具有有序磁性，从而限制了其在自旋电子器件等方面的应用。因此如何制备具有室温磁性的二维材料就成为了一个非常重要的基础科学问题。本项目将采用第一性原理和分子动力学的方法，研究过渡金属化合物形成原子层厚度的二维结构以及实现室温磁性的可能性途径，主要内容包括：1)通过研究具有室温磁性的过渡金属化合物块体材料向原子层厚度的二维材料转化的可能性及途径，分析其转化的物理机制，预言其实验实现的可行路线；2)研究不同成分的原子层厚度的二维材料的磁性结构和电子结构，分析维度变化对其磁、电等性质的影响，揭示其变化的物理机制；3)探讨外界条件（如门电压）对其磁性的调控，预言调制室温磁性的可行路径。通过本项目的研究，力争为实验上制备原子层厚度的室温二维磁性材料提供理论指导和可行方法。

项目按计划执行。本项目研究的主要目标是拟采用第一性原理和分子动力学的方法，研究过渡金属化合物形成原子层厚度的二维结构以及实现室温磁性的可能性途径，主要研究进展包括：（1）原子层厚度过渡金属氮化物的高温铁磁性和半金属性的研究：通过第一性原理计算，我们发现实验上刚刚合成的MoN2单层就是这样的一种材料，它具有铁磁性并且居里温度接近420K，这比其他二维磁性材料的居里温度都要高很多。所以，研究表明过渡金属氮化物有望应用于电子自旋电子器件中。（2）通过超卤族修饰二维类石墨烯g-C3N4使其具有半金属铁磁性。(3) 利用第一性原理研究了3d过渡金属吸附的二维半导体材料SnS的电磁特性及其磁性增强的方法。(4) 通过构造多元合金化合物的方法来增强磁性半导体体系中的铁磁交换作用，从而获得具有突破室温的居里温度的本征铁磁半导体材料。（5）原子层厚度的二维材料SnS作为Li离子电池电极的研究。（6）低维铁电材料对石墨烯能隙的影响：我们构建了OH-BNSL/石墨烯的复合结构，计算结果表明通过铁电衬底我们产生了两个态，一个是金属的Dirac粒子态，一个是不导通的绝缘态。相比于传统的打开能隙机制，我们的研究提供了一个完全的新机制。在项目执行期间，在Nano.Lett., J.Am.Chem.Soc, Nanomaterials 等杂志上发表SCI论文9篇，在读研究生4名，已毕业3名。