分會(huì)

第四十六分會(huì)：納米體系理論與模擬

摘要

單層CrI3是一種本征的二維鐵磁材料，在實(shí)驗(yàn)上被合成，并顯示出良好的晶序、較強(qiáng)的磁各向異性和適中的帶隙（約為1.2 eV）。然而，單層CrI3的面內(nèi)鐵磁耦合較弱，居里溫度僅為45 K；單斜堆疊的雙層CrI3高溫相則表現(xiàn)出層間反鐵磁自旋磁序，極大限制了這種二維磁性材料的器件應(yīng)用。增強(qiáng)二維CrI3的鐵磁性、提高居里溫度一直是本領(lǐng)域研究者競(jìng)相攻克的難題。我們提出了自插層方法（Cr或I插層）增強(qiáng)雙層CrI3的鐵磁性。該工作系統(tǒng)考察了堆疊或轉(zhuǎn)角的CrI3雙層體系在不同插層濃度下的原子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和磁學(xué)性質(zhì)，通過(guò)第一性原理計(jì)算證明Cr或I原子插層的雙層CrI3具有良好的能量穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)上極有可能實(shí)現(xiàn)。更為重要的是，鐵磁-反鐵磁交換能隨著插層原子濃度的增加而增大，最高可達(dá)到約40 meV/f.u.（每CrI3分子式），相比于完美CrI3雙層的交換能增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)（低溫相交換能為2.95 meV/f.u.），并且使高溫相的雙層CrI3由反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁態(tài)（交換能為?0.14 meV/f.u.），對(duì)于多層和塊體CrI3也得到了相似的結(jié)果，表明實(shí)驗(yàn)上可通過(guò)控制插層原子濃度來(lái)準(zhǔn)確調(diào)控CrI3的磁學(xué)性質(zhì)。這種鐵磁性的增強(qiáng)效應(yīng)主要是由于插層原子引起的層間電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致雙層CrI3中不同位點(diǎn)的Cr原子化合價(jià)發(fā)生改變，誘導(dǎo)出雙交換作用；另一方面費(fèi)米能附近雜質(zhì)態(tài)的引入增大了eg-t2g軌道的雜化程度，從而使層間鐵磁耦合顯著增強(qiáng)。本工作證明了自插層方法是提高二維鐵磁體居里溫度的普適性策略，并首次揭示了鐵磁性增強(qiáng)背后的雙交換機(jī)制，為推動(dòng)二維CrI3以及其他二維鐵磁材料的器件應(yīng)用提供了重要理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞

二維鐵磁體

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