摘要
二维本征磁性材料是设计自旋电子学器件的理想基元材料，因此寻找性质优良的二维本征磁性候选材料是磁学和自旋电子学领域的热门话题。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，设计了具有优良稳定性的二维室温铁磁材料MnNCl和反铁磁材料FeP,并对二者的力学、磁学和电子性质进行了研究。 (1)由于二维本征铁磁半金属材料具有100％自旋极化的独特电子性质，可以为多功能自旋电子学器件的发展提供新的机会。利用第一性原理计算，本文首先研究了具有正交晶格对称性的二维MnNCl材料，发现其在能量、动力学、热学以及力学方面具有良好的稳定性,在室温下是可以稳定存在的。二维MnNCl是一种具有较大杨氏模量和剪切模量的脆性材料，在xy平面上表现出较强的各向异性。MnNCl单层具有本征的铁磁基态，具有每原胞6.16μB的磁矩，952K的居里温度和高达184.5μeV的磁各向异性能。同时电子结构的计算证明MnNCl单层是铁磁半金属，具有完全的自旋极化和自旋向下轨道3.10eV的直接带隙。当施加双轴应变后，MnNCl单层的力学参量、磁矩和磁各向异性能都显著增加，但仍表现出稳健的半金属性和铁磁性。自旋向下轨道的带隙随着拉伸应变的增加而增大，在9％拉伸应变处费米能级附近的外耳点被打开。室温二维铁磁半金属MnNCl的发现 将扩展二维铁磁性材料的数据库并且将为自旋电子学的研究提供新的备选材料。 (2)二维反铁磁性材料为高密度信息存储、自旋输运器件和高频电子器件等多功能自旋电子学器件的发展提供了新的机遇，有望成为下一代自旋电子学器件开发的主角。本文利用第一性原理方法设计了一种本征反铁磁性金属FeP单层。能量、声子谱、分子动力学模拟和弹性常数的研究表明FeP单层具有良好的动力学、热力学和力学稳定性。二维FeP是一种脆性材料，在xy平面上表现出较强的力学各向异性。FeP单层是本征的反铁磁态金属，具有每铁原子3.173μB的磁矩，150K的奈尔温度和高达850μeV的磁各向异性能。在-4％到8％的双轴应变下表现出稳健的反铁磁性和可调谐的力学性质以及能带结构。具有高磁各向异性能的反铁磁二维FeP将为磁信息存储领域提供有价值的备选材料。
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