中国化学会第32届学术年会
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双层CrI3铁磁耦合效应的增强
郭宇 周思*

分会

第四十六分会:纳米体系理论与模拟

摘要

单层CrI3是一种本征的二维铁磁材料,在实验上被合成,并显示出良好的晶序、较强的磁各向异性和适中的带隙(约为1.2 eV)。然而,单层CrI3的面内铁磁耦合较弱,居里温度仅为45 K;单斜堆叠的双层CrI3高温相则表现出层间反铁磁自旋磁序,极大限制了这种二维磁性材料的器件应用。增强二维CrI3的铁磁性、提高居里温度一直是本领域研究者竞相攻克的难题。我们提出了自插层方法(Cr或I插层)增强双层CrI3的铁磁性。该工作系统考察了堆叠或转角的CrI3双层体系在不同插层浓度下的原子结构、稳定性和磁学性质,通过第一性原理计算证明Cr或I原子插层的双层CrI3具有良好的能量稳定性和热稳定性,在实验上极有可能实现。更为重要的是,铁磁-反铁磁交换能随着插层原子浓度的增加而增大,最高可达到约40 meV/f.u.(每CrI3分子式),相比于完美CrI3双层的交换能增大了一个数量级(低温相交换能为2.95 meV/f.u.),并且使高温相的双层CrI3由反铁磁态转变为铁磁态(交换能为−0.14 meV/f.u.),对于多层和块体CrI3也得到了相似的结果,表明实验上可通过控制插层原子浓度来准确调控CrI3的磁学性质。这种铁磁性的增强效应主要是由于插层原子引起的层间电荷转移,导致双层CrI3中不同位点的Cr原子化合价发生改变,诱导出双交换作用;另一方面费米能附近杂质态的引入增大了eg-t2g轨道的杂化程度,从而使层间铁磁耦合显著增强。本工作证明了自插层方法是提高二维铁磁体居里温度的普适性策略,并首次揭示了铁磁性增强背后的双交换机制,为推动二维CrI3以及其他二维铁磁材料的器件应用提供了重要理论指导。

关键词

二维铁磁体

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