关键词：
二维磁性材料
量子反常霍尔效应
谷极化
量子反常谷霍尔效应
第一性原理计算
摘要：
以石墨烯为代表的二维材料具有良好的电学、力学等物理学特性,近年来应用到通信、生物等领域,已成为一大研究热点。作为二维材料的重要分支,二维本征磁性材料在二维极限条件下可以保持长程磁序并进行外场调控,这为研究新奇的量子物理效应提供了理想的平台。量子反常霍尔效应具有电子无阻输运的特点,在低功耗电子器件方面有很大的发展前景。人们常用磁性掺杂和构建异质结的方法实现量子反常霍尔效应,但目前实验上仅在少数材料中观察到该效应,且实现温度较低。因此,科研人员希望获得具有较高居里温度的本征磁性拓扑绝缘体以实现量子反常霍尔效应。类比于电荷和自旋自由度,二维材料的谷自由度同样可以实现信息编码和存储。操纵谷自由度的关键是打破不同谷之间的简并,实现谷极化;调控谷电子学材料的布里渊区中不等价的谷,实现反常谷霍尔效应。光学泵浦和磁性原子掺杂是常用的调控谷极化手段,但在实际应用中仍存在一些问题。光学泵浦在器件应用时不好控制,磁性原子掺杂易引起杂质散射。与此同时,本征谷极化材料为谷电子的发展提供新的契机,目前已知的谷极化材料有限,寻找较大谷极化材料有助于开发更多适合制备电子学器件的材料。此外,拥有多种霍尔效应的磁性谷材料也引起研究人员的关注。量子反常谷霍尔效应是一种新奇的与谷相关效应,它具备谷和能带拓扑之间的相互作用,谷和量子反常霍尔效应的结合有望实现高性能量子器件的应用,进一步推动谷电子学和自旋电子学的发展。但量子反常谷霍尔效应的实现所需条件较多,这对二维材料的研究提出挑战。本文基于第一性原理计算,通过研究二维六角晶格材料的电子性质和磁性,探究二维磁性材料的拓扑性质和谷相关效应。首先,作为一种从层状MAX相中化学剥离的二维过渡金属碳化物,二维MXenes结构近年来受到广泛关注。在二维MXenes材料中寻找具有较高居里温度的本征拓扑绝缘体成为一个热门研究方向。我们系统地研究了二维MXene Mo YN2CSCl的电学、磁学和拓扑性质。结果表明单层Mo YN2CSCl是一个半金属材料,体系呈长程铁磁序。居里温度为619.1 K,有望实现高温量子反常霍尔效应。由于对称性破缺导致自旋轨道耦合（SOC）效应,能带中出现约为37.3 meV的拓扑非平庸带隙且陈数C=1,这是由于dxz和dyz轨道之间发生了能带反转。含有一条导电通道的边缘态和非零的贝里曲率计算进一步证实MXene Mo YN2CSCl具有的拓扑性质。施加应变和调控磁化方向可以实现MXene Mo YN2CSCl的拓扑相变。值得注意的是,在电子关联相互作用U的调控过程中,MXene Mo YN2CSCl可以实现节线半金属态,考虑SOC情况下,其仍可实现陈数C=1的量子反常霍尔效应。其次,人们在二维材料2H VSe2中提出了铁谷的概念,铁谷材料拥有自发谷极化和本征磁性,为谷自由度的调控提供了新方向。目前,自旋与谷极化共存的铁谷材料只在少数材料中存在。本文中,我们提出2H Janus LuClF是一种2D铁谷材料,基态为铁磁半导体。在时间反演破缺和SOC作用下,价带自发谷极化达到33.6 meV,贝里曲率中K和K'谷的绝对值不同且符号相反。施加外部电场时,单层LuClF会实现反常谷霍尔效应。双轴应变对单层LuClF的谷极化调控明显,在-3%的压缩应变下,单层LuClF的谷极化达到75.88 meV。不同的U值同样对能带有着显著影响,U值从0 eV变化到4 eV的情况下,谷极化呈鲁棒性。因此,单层LuClF是具备潜力的谷电子学材料。最后,谷电子学与能带拓扑结合的量子反常谷霍尔效应吸引了研究人员的目光。量子反常谷霍尔效应的实现对材料要求较高,人们在努力寻找在实验中易于合成的2D材料。我们研究了二维磁性材料2H ScBr2在不同电子关联作用U作用下能带性质的变化。对于垂直磁各向异性,U=3 eV时,考虑SOC的情况下2H ScBr2的谷极化为60.74 meV,翻转磁化方向可以调控谷极化的反转,施加电场可实现反常谷霍尔效应。随着U值的增加,2H ScBr2经历由铁谷态到半谷金属态到量子反常谷霍尔效应到半谷金属态再到铁谷态的相变。U值在3.68 eV到3.80 eV范围内可以观察到能带中存在dxy/dx2-y2和dz2轨道成分反转,并且看到符号可逆的贝里曲率。当U=3.742 eV时,ScBr2的陈数C为1并有一条连接导带和价带的导电通道。我们研究了不同U值条件下的本征磁各向异性,考虑本征磁各向异性时没有量子反常谷霍尔效应或谷极化现象。本项工作主要探究电子相互关联作用U值及磁各向异性对单层2H ScBr2能带结构的影响。关于量子反常谷霍尔效应的研究为调控二维磁性材料的谷相关量子器件提供思路。
欢迎来到三峡大学图书馆！
