功能磁性半导体和半金属材料的计算机模拟与设计

Spintronics is one of the most promising next generation information technology, which uses the spins of electrons as information carriers and possesses potential advantages of speeding up data processing, high circuit integration density, and low energy consumption. However, spintronics faces a number of challenges, including spin generation and injection, long distance spin transport, and manipulation and detection of spin orientation. The solutions to these issues lie in finding new materials with specific spintronics properties, such as magnetic semiconductors and half metals. Although lots of spintronics materials have been proposed previously, they are far from practical applications partly due to the low magnetic ordering temperature, destruction of half-metallicity by spin-flip transitions, difficulty in synthesis, or bad controllability. Our works are devoted to solving these problems, including designing magnetic semiconductors with specific functions, and exploring magnetic semiconductors and half metals that can work at room temperature.

信息技术是当今社会重要的议题，而自旋电子学是解决当前信息技术瓶颈的一个重要方法。它基于电子自旋进行信息的传递、处理与存储，具有目前传统半导体电子学无法比拟的优势，如速度更快，耗能更低，可突破摩尔定律的极限。然而，自旋电子学的发展面临着三大挑战：自旋的产生和注入，自旋的长程输运，以及自旋的调控和探测。这些问题的解决将主要依赖于寻找具有特定性质和功能的自旋电子学材料，如磁性半导体，半金属材料等。不幸地是，目前提出的磁性半导体和半金属材料距离实际应用仍存在较大的距离。其中原因包括磁有序温度低于室温，自旋热翻转导致半金属性被破坏，合成困难或可控制较差等。在本项目中，我们致力于通过计算机模拟方法设计具有特殊功能的磁性半导体材料，以及寻找在室温环境下可用的磁性半导体和半金属材料，为自旋电子学器件的合成和应用铺平道路。

自旋电子学是解决当前信息技术瓶颈的一个重要方法，然而，它的发展面临着三大挑战：自旋的产生和注入，自旋的长程输运，以及自旋的调控和探测。这些问题的解决主要依赖于寻找具有特定性质和功能的自旋电子学材料，例如磁性半导体材料和半金属材料。本项目按照计划进行，研究内容集中在利用第一性原理设计具有特殊功能的磁性半导体材料，以及在室温环境下可用的磁性半导体和半金属材料。取得的研究成果有：1. 为解决磁性半导体的居里温度通常远低于室温这一制约自旋电子学发展的关键科学问题之一，基于理论计算，我们提出了利用共轭电子受体分子作为有机连接体构建二维金属有机框架材料（MOFs），实现室温磁性半导体的新思路：调节共轭电子受体分子的局域化学环境使其获得奇数个电子并诱发pπ磁矩，与周围过渡金属d电子磁矩通过d-p轨道直接交换作用形成强的亚铁磁耦合，结合MOFs材料的高度可调性和亚铁磁半导体的高居里温度特性，构建出室温工作的磁性半导体材料。2. 基于理论计算，我们提出通过将过渡金属原子内嵌入硼墨烯的本征硼空位，发展了系列具有丰富的结构和磁学性质的二维过渡金属硼墨烯复合材料，其中一些材料同时具有室温铁磁性和大的垂直磁各向异性，具有极大的应用潜能。3. 基于理论计算，我们设计了几个理想的一维磁性半导体纳米线，它们同时具有中等带隙、本征铁磁性和巨磁各向异性三个优点。研究成果以学术论文的形式发表，作为第一作者或共通讯作者已发表SCI论文5篇，包括JACS 1篇，JPCL 2篇，WIRES Computational Molecular Science 1篇和 Chin. J. Chem 1篇。本项目的研究为实验实现高效的自旋电子器件提供了理论指导和材料支撑。