基于反铁磁性的二维高自旋极化材料研究

The materials with high spin-polarization and ferromagnetism have been widely investigated and application in spintronics. Nevertheless, the presence of stray magnetic field in ferromagnetic materials will influence the creation and transport of spin current and not conducive to high density device integration. Compared with the ferromagnetic materials, the antiferromagnetic spintronic device have become the one of hot topic in condensed mater physics due to their lower energy consumption, higher speed and higher stability. However, the electronic structure of spin up and spin down in conventional antiferromagnetic materials are degenerate, which will be challenge to manipulate the spin structure in antiferromagnets. Our present project will take two-dimensional (2D) antiferromagnetic materials and 2D semiconductor as research object to search and design the 2D antiferromagnetic system with high Néel temperature and high spin-polarization. The dependent relation of antiferromagnetic spin-polarized materials among spin states, spin exchange interaction and magnetic structure symmetry will be thoroughly investigated. And the physical model and design strategy for 2D high spin-polarized materials based antiferromagnetism will build. The progress in this project will provide early preparation and theoretical support for the realization of antiferromagnetic spintronic materials and device application in experiment.

具有高自旋极化特性的铁磁材料在自旋电子学中已被广泛研究和应用。然而，铁磁材料中存在的杂散场会影响自旋流的产生和输运并且不利于高密度器件集成。与铁磁材料相比，基于反铁磁性的自旋电子学器件因具有更低的能量损耗、更快的速度和更高的稳定性已成为当下凝聚态物理研究的热点之一。但传统的反铁磁材料的自旋向上和向下电子结构是简并的，这使得操纵反铁磁材料的自旋结构具有挑战性。本项目拟采用第一性原理、分子动力学和蒙特卡洛方法，以二维反铁磁材料和二维半导体为研究对象，探索基于反铁磁性的自旋极化性质在二维材料中的实现方案，寻找和设计具有高奈尔温度和高自旋极化的二维反铁磁体系。深入理解二维反铁磁自旋极化性质对自旋态、自旋交换作用和磁结构对称性的依赖关系，并构建基于反铁磁性的二维高自旋极化材料的物理模型和设计方法。项目的探索将为实验上在反铁磁自旋电子学材料的实现和器件应用提供前期的准备工作和理论支撑。

具有高自旋极化特性的铁磁材料在自旋电子学中已被广泛研究。然而，铁磁材料中存在的杂散场会影响自旋流的产生和输运并且不利于高密度器件集成。与铁磁材料相比，基于反铁磁性的自旋电子学器件因具有更低的能量损耗、更快的速度和更高的稳定性已成为当下凝聚态物理研究的热点之一。但传统的反铁磁材料的自旋向上和向下电子结构是简并的，这使得操纵和探测反铁磁材料的自旋结构具有挑战性。本项目拟采用第一性原理方法，以二维反铁磁MXenes为研究对象，通过结构、声子动力学、电子性质、磁结构和载流子掺杂等计算，探索基于反铁磁性的自旋极化性质在二维材料中的实现方案，设计了具有高奈尔温度和高自旋极化的二维反铁磁体系。主要学术进展包括：1）发现打破本征反铁磁材料的磁性元素的化学平衡可以诱导出零磁性的自旋极化半导体；2）提出双极反铁磁半导体的概念，并且进一步发现门电压可以操纵反铁磁材料的自旋极化方向；3）功能化的MXenes，包括反对称功能化和混合功能化都能够诱导出系统出现双极反铁磁半导体。4）对分子掺杂对二维磁性材料进行了初步探索，发现分子电荷转移能够增强二维磁性材料铁磁性和居里温度。