Nano Lett.: 具有增强自旋极化率的2D Fe2Si纳米片的室温铁磁性

【引言】

自旋电子学是基于电子自旋进行信息的存储、传递和处理，具有运行速度快、集成度高、能耗低等优势，因而近年来在科学界和产业界广受关注。通常，具有大的自旋极化率、高的居里温度(T_c)和大的磁晶各向异性能(MAE)的铁磁晶体被认为是构筑室温下工作的电子自旋器件的基础。随着低维材料研究的深入，特别是石墨烯的发现，发展具有上述特性的低维铁磁晶体成为了研究的热点，但由于低产率及缺陷等问题，实验制备低维铁磁晶体仍然面临巨大挑战。第一性原理计算可以对材料的性质进行预测，从而对材料进行初步筛选，极大提高实验科学家的工作效率，缩短材料研发周期。因此采用第一性原理进行低维铁磁晶体的结构设计及性能预测成为了电子自旋材料研究的重要手段，正有力推进着电子自旋器件的研发工作。

【成果简介】

近日，中国科技大学武晓君教授(通讯作者)等人通过第一性原理计算报道了一种具有增强自旋极化率和室温铁磁性的新型2D Fe₂Si纳米片。该纳米片具有三角晶格结构，六配位的Si和Fe原子形成准平面。Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06)杂化泛函计算显示基态的2D Fe₂Si是具有铁磁性的半金属，在费米能级具有100%的自旋极化率；而声子谱和从头计算分子动力学(AIMD)模拟显示其具有高的热力学稳定性，2D晶体结构可保持到1200K以上。基于Ising模型的蒙特卡洛模拟预测2D Fe₂Si晶体的居里温度可超过780K，而且可以通过双轴应变调控。优异的磁学性能使得2D Fe₂Si纳米片在纳米电子自旋器件领域非常具有应用前景。相关研究结果以“Room-Temperature Ferromagnetism in Two-Dimensional Fe₂Si Nanosheet with Enhanced Spin-Polarization Ratio”为题于2017年4月25日在Nano Lett.上在线发表。

【图文导读】

图1：从六方Fe₂Si晶体上获取2D Fe₂Si片

(a, b)六方Fe₂Si块晶体结构的俯视图和正面视图；

(c) HSE06杂化泛函计算的六方Fe₂Si块体的自旋极化能带结构和态密度。能带结构中的蓝色和红色实现分别代表自旋向上和自旋向下的能带。主自旋极化通道和次自旋极化通道的态密度分别用↑和↓表示。费米能级设为0。Γ(0.0, 0.0, 0.0), A(0.0, 0.0, 1/2), H(-1/3, 2/3, 1/2), K(-1/3, 2/3, 0.0), M(0.0, 1/2, 0.0), L(0, 1/2, 1/2)代表第一布里渊区中高对称的k点；

(d)2D Fe₂Si晶体结构的俯视图和正面视图。

图2：2D Fe₂Si纳米片的热力学稳定性

(a)2D Fe₂Si晶体的理论计算声子谱；

(b-d) AIMD模拟中，在10ps时，温度分别为900、1200和1500K时的2D Fe₂Si晶体的结构快照。Γ(0.0, 0.0, 0.0), M(0.0, 1/2, 0.0), K(-1/3, 2/3, 0.0)代表第一布里渊区中高对称的k点。

图3：2D Fe₂Si晶体的电子特性

(a)HSE06杂化泛函计算的2D Fe₂Si晶体原子轨道上的能带结构、总态密度和局部态密度。费米能级设为0。能带结构中，蓝色和红色的实线分别代表自旋向上和自旋向下的能带。↑和↓分别代表自旋向上极化和自旋向下极化；

(b)等值面数值为0.007 au的差分电荷密度分布；

(c)等值面数值为0.03 au的自旋电荷密度分布；

(d) 2D Fe₂Si晶体的模拟磁矩(M)和比热(C_v)与温度的关系。

图4：应变对2D Fe₂Si晶体电子和磁学性质的影响

(a, c)在双轴应变分别为-3%和3%时，HSE06杂化泛函计算的2D Fe₂Si晶体的能带结构和总态密度。费米能级设为0。能带结构中，蓝色和红色的实线分别代表自旋向上和自旋向下的能带。↑和↓分别代表自旋向上极化和自旋向下极化；

(b, d)在双轴应变分别为-3%和3%时，2D Fe₂Si晶体的模拟磁矩(M)和比热(C_v)与温度的关系。

【小结】

通过第一原理计算进行低维铁磁晶体的结构设计和性能预测是电子自旋材料研究的重要手段。本研究通过第一性原理计算设计了一种具有类石墨烯结构的2D Fe₂Si晶体，并预测该晶体具有非常优异的室温铁磁性，是发展电子自旋器件应用非常有前景的候选材料。

文献链接：Room-Temperature Ferromagnetism in Two-Dimensional Fe₂Si Nanosheet with Enhanced Spin-Polarization Ratio (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04884)

本文由材料人编辑部纳米学术组游世海整理编译，点我加入材料人编辑部。

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