基于新型层状材料的纳米结构的磁性调控及应用研究

At present, the new two-dimensional layered materials have become a research hotspot, but there are still many challenging problems in the research of magnetism and applications of related nanostructures, such as the induction and regulation of effective magnetism, the deep mechanism of magnetism and the thermal stability, And other issues, are seriously limiting the understanding of the magnetic properties of layered materials and the practical application of magnetic devices. This project just focuses on these problems, and puts forward the research plan, focusing on the construction of magnetic nanostructures of layered materials such as phosphene, MXene and transition metal chalcogenides, and analyzing and simulating its magneto- electronic properties and potential applications. The research includes: the induction of magnetic properties of layered materials; the design of magnetic hybrid structure, hetero-structure and quantum dot array; magnetic coupling law and magnetic stability, multi-field coupling (including substrate) effect , magnetic devices (spin filters, spin diodes, spin transistors, giant magnetoresistance effects and spin valves, etc.) applications. The project pays more attention on the mechanism analysis and regulating factors, trying to find the general law. At the same time, through the development and improvement of the relevant theory , we try to build more accurate and more effective simulation tools and magnetic device performance analysis method. The aim of this study is to provide a reference model, theoretical basis and new ideas for the practical fabrication of new magnetic nanostructures and magnetic devices.

目前新型二维层状材料已成为研究热点，但相关纳米结构的磁性及应用研究仍存在许多富有挑战性的难题，如有效磁性的诱导及调控、磁性的深层机理及热稳定性、磁器件性能等问题，都严重制约对层状材料磁性的理解及实际应用。本项目着眼这些不足，提出研究内容及研究方案，重点探索磷烯、MXene及过渡金属硫族化合物等层状材料磁性纳米结构的构建方法，并对其磁电子学特性及潜在应用进行理论分析及模拟。研究内容包括：层状材料磁性的诱导；磁性杂化结构、异质结构及量子点阵列的设计；磁耦合规律及磁稳定性；多场耦合效应及衬底效应；相关磁器件（自旋过滤器、自旋二极管、自旋三极管、巨磁电阻效应与自旋阀等）方面的潜在应用等。本项目注重机理及调控因素的分析，力图发现一般规律。同时着力发展和完善相关理论，以构建更准确、更有效的模拟工具及磁器件性能的分析方法。该研究旨在为实际制备新型磁性纳米结构及磁器件提供参考模型、理论依据及新的思路。

近几年来，新型二维层状材料已成为研究热点，但大部分二维层状材料并无磁性，所以对它们诱导磁性、并实施有效调控是重要且具有挑战性的工作。本项目着眼于相关前沿，提出研究内容及研究方案，重点探索磷烯、MXene 及过渡金属硫族化合物等层状材料的磁性纳米结构的构建，并对其磁电子学特性、磁性机理及热稳定性以及潜在应用进行理论分析及模拟。主要研究内容包括：化学修饰诱导磁序及在磁器件方面的应用，磁性杂化结构的磁电子学特性及在磁器件方面的应用，磁性异质结构的磁电子学特性及在磁器件方面的应用，磁性量子点阵列的磁电子学特性及在磁器件方面的应用，等。突出了磁序诱导、磁耦合规律及磁稳定性、多场耦合效应及衬底效应、以及相关磁器件的研究。重要研究进展及结果包括：提出在无磁Ti2CO2纳米带中引入氧原子空位线（OVL）缺陷，该方法能诱发丰富的磁电子特性；对1D H-VSe2结构，通过边化学效应及机械应力调控几乎能实现所有的磁相转变，同时也相关提出了磁器件设计；CrI3/SiC vdW异质结磁稳定性及能谷劈裂的研究，发现铁磁材料的磁稳定性大幅提高，且本征非磁性SiC层也被磁化；吸附磁性原子的锑烯纳米管的几何结构、修饰电子特性和诱导的磁性研究表明磁性原子的本征磁矩大小在诱导管磁性方面起着决定性的作用；提出低浓度过渡金属原子掺杂的磷烯纳米管模型，发现此结构是稀磁半导体，且当此管做为场效应管沟道材料时，其自旋极化的载流子迁移率的大小与栅极电压密切相关；研究在裸边及氧端接锯齿三角形石墨烯纳米片磁性量子点阵列的磁电子学特性及磁器件应用表明连接方式扮演关键作用。这些研究注重机理及调控因素的分析，力图发现一般规律，同时着力发展相关理论及磁器件性能的分析方法，并力图建立“功能化新结构—磁电子结构—磁器件性质”三者之间的紧密联系，为实际制备新型磁性纳米结构及磁器件提供参考模型、理论依据及新的思路。