耦合异质层纳米结构及其磁有序的研究

There are extensive interests in the magnetic properties of low dimensional and nano-structures due to their novel quantum effects and the applications in spintronics. The bound hetero-layer nanostructures have the advantages in carrier concentration, energy band tailoring and doping to achieve the magnetic order in nanostructures. In this project, we will investigate the bound hetero-layer nanostructures and their magnetic orders. We will study the formation processes and stability of the bound hetero-layer nanostructures and predict the structures and formation path of various stable bound hetero-layer configurations. We will study the rich quantum effects resulted from the correlations of the functional layers. We will propose the new mechanism of magnetic order. By tailoring the energy band and variation of carrier concentration in the bound hetero-layer nanostructures, we will predict new magnetic orders and their properties. We will seek to understand the correlations of the structures of the bound hetero-layer nanostructures with electronic and magnetic properties. We will study the possibility of achieving the strong spin-orbital coupling and related quantum states in the bound hetero-layer nanostructures. We will propose the methods to change the carrier concentration through the adsorption doping, vacancy and external field to achieve the modulation of the magnetic properties of the bound hetero-layer nanostructures. We will predict the possible ways of using the bound hetero-layer nanostructures to design the quantum nanodevice with rich magnetic properties, which may deliver new mechanisms and models for the development of novel magnetic nanomaterials and nanodevices.

低维和纳米体系的磁性质由于其独特的量子效应和在自旋电子学上的应用，而得到广泛关注。耦合异质层纳米结构在解决实现纳米体系磁有序的载流子浓度，能带剪裁和掺杂等问题中具有突出的优势。在本项目中，我们将通过对于耦合异质层纳米结构及其磁有序的研究，探索耦合异质层纳米结构的形成和稳定性，预言不同构型的稳定的耦合异质层结构及其生成途径。揭示异质层不同功能层的作用及耦合所产生的丰富的量子效应，提出新型纳米磁有序产生机制,通过耦合异质层丰富的载流子浓度变化和能带剪裁的途径，预测新型磁有序态及其性质。揭示各类耦合异质层纳米体系的结构和电子性质以及磁性质的关联，研究构建具有强的自旋轨道耦合的纳米结构以及产生新型量子态的可能性，掌握通过吸附掺杂，空位机制，外场调控改变载流子浓度的方法，实现耦合异质层纳米磁有序的调控，设计产生丰富磁性能的纳米量子器件。为发展新型纳米材料和器件提供物理模型和理论预言。

低维和纳米体系的磁性质因其独特的量子效应和在自旋电子学上的应用，而得到广泛关注。耦合异质层纳米结构在解决实现纳米体系磁有序的载流子浓度，能带剪裁和掺杂等问题中具有突出的优势。在本项目的研究中，我们对耦合异质层纳米结构及其磁性质开展了多方面的研究。我们用第一性原理研究了硼-碳夹层结构的电子性质。发现硼-碳双层之间插入钠原子层的体系可以实现类狄拉克费米子特性。这种特殊电子结构和良好的稳定性质归因于两个单层结构的狄拉克点交叠和碱金属原子的电荷掺杂。我们计算了硼-碳吸附结构的磁性和电偶极矩，其无磁性的态和反铁磁是简并的，并可通过外加电场加以消除。对于硼-碳吸附无磁性的碱金属或碱土金属原子的体系，我们发现可以在外加电场的情况下诱导出磁性。随着电场强度的变化系统的磁矩和电偶极矩都具有特殊的跳变，表现出良好的开关性质。由于伴随着电偶极矩的变化磁性也是突变的，因此体系表现出强烈的磁性和偶极矩的耦合特性。这些结果为磁电耦合器件设计提供了理论预言。我们利用第一性原理计算结合重整化群方法研究了锂吸附的BC3纳米结构中有可能出现的对称破缺态。发现鞍点的存在使得体系内存在很强的铁磁涨落和反铁磁涨落，在它们的共同作用下，锂吸附的BC3表现出螺旋性p+ip’超导。我们发现Mxene和蓝磷可以形成晶格非常匹配的四种能量上稳定的二维异质结结构，其中包括电子和空穴空间上分离的第二类异质结结构，这种第二类异质结结构可以用于光电器件和太阳能电池。我们发现相对于Cr和Fe掺杂的硅稀体系会呈现具开关性质的磁电效应；并强烈的依赖于电场的方向，我们称之为磁电二极管。我们利用第一性原理研究了金属原子吸附在砷烯上的磁性质，发现金属原子可以稳定的吸附在砷烯表面而不是在其表面形成团簇；吸附使得砷烯变为半金属和自旋半导体，这在自旋半导体领域具有应用价值；以上研究为发展新型纳米材料和器件提供了物理模型和理论预言。