基于宽带隙二维量子系统的零磁矩自旋极化效应

Manipulation of spin degrees of freedom in electronic devices to realize information storage, logical calculation and other functional devices is the premise and main task of spintronics.Through materials genome initiative (MGI) approach to search spin-polarized materials to fullfill the modulation of the spin degrees of freedom is one of the hot research topic in condense matter physics, recently.Half-matels (HM), half-semiconductors (HSC), and Spin gapless semiconductors (SGS) are most important spin-polarized materials. In general, the HM, HSC, and SGS behave as ferromagnets with relative high magnetic moments. The ferromagnetic HM, HSC and SGS will form magnetic domains and stray field, which unavoidably restricts the generation of the spin-polarized current.One of reasonable resolution for the drawback is to find zero-magnetic spin-polarized systems. Our present project is oriented by the main point of MGI,using first-principles method to design the zero magnetic spin-polarzed material based on 3d transition metal codoped wide gap two dimensional thin film and ordered structure.Meanwhile, to provide theoretical basis to experiments, the mechnism of exchange coupling and spin polarization are thoroughly investigated. The progress of our present project will not only proved significant candidates for spintronics, but also enrich the concept of the magnetic order.

通过自旋自由度的操控实现信息存储、逻辑运算及器件功能是自旋电子学发展的依托和关键。通过材料基因设计方式寻找具有自旋极化的材料从而实现自旋自由度的调控是近年来凝聚态物理学的研究热点之一。其中备受关注的自旋电子学材料包括半金属、自旋极化半导体及自旋极化无带隙半导体等。但是该类材料一般表现为铁磁特征具有较高的磁矩、在体系内容易形成畴壁或杂散场，其对自旋的散射将直接影响自旋过滤及自旋输运的效率。寻找并设计零磁矩自旋极化系统是避免自旋散射的可行解决方案。本项目以基于功能特征为牵引的材料设计理念为指导，以宽带隙二维量子薄膜材料为基础，以3d过渡金属共掺杂、有序结构设计为手段，采用第一原理方法实现零磁矩自旋极化材料的设计，并对零磁矩自旋极化系统的交换耦合及自旋极化机理进行深入的研究，为实验制备提供理论基础。零磁矩自旋极化效应的探索不仅为自旋电子学提供优选材料，同时可以丰富我们对自旋磁序特征的认识。

由于自旋电子器件相对传统电子器件具有低功耗、工作速度快以及存储密度高等方面的优势，近年来一直是凝聚态物理的研究热点之一。二维宽带隙层状材料是实现自旋极化调控并且实现自旋电子学器件的重要载体。针对新型二维宽带隙量子系统进行自旋极化调控的研究是当今凝聚态物理学和材料科学中重要的研究领域之一。将自旋电子学与二维层状材料相结合，并对其自旋极化调制机理进行深入研究必将为自旋电子学材料与器件发展带来革命性的变化。本项目以基于功能特征为牵引的材料设计理念为指导，以宽带隙二维量子薄膜材料为基础，以3d过渡金属共掺杂、有序结构设计为手段，采用第一原理方法实现零磁矩自旋极化材料的设计，并对零磁矩自旋极化系统的交换耦合及自旋极化机理进行深入的研究，为实验制备提供理论基础。零磁矩自旋极化效应的探索不仅为自旋电子学提供优选材料，同时可以丰富我们对自旋磁序特征的认识。本项目通过过渡金属掺杂对几类新型宽带隙层状材料的自旋极化机理和调控方案进行了系统的研究。项目主要取得以下三方面研究成果：（1）二维反铁磁自旋电子学模型及材料设计：我们提出了基于二维宽带隙层状材料的反铁磁零磁矩自旋极化模型，并发现在该模型中超交换起到至关重要的作用；通过3d过渡金属共掺杂，实现了零磁矩二维自旋极化材料，并阐明其形成机理来自于3d过渡金属不同的交换劈裂；基于交换劈裂差异性诱发的反铁磁自旋极化机理，我们发现过渡金属卤化物NiRuCl6不但是实现零磁矩反铁磁自旋极化效应的优选材料，同时以该系统为基础我们提出了反铁磁Chern数绝缘体的概念，进一步拓展了反铁磁二维系统的应用领域；（2）宽带隙二维层状材料3d过渡金属磁性掺杂调控：通过Cr/Fe在单层MoS2中的δ型掺杂我们发现可有效实现该系统的反铁磁自旋极化及亚铁磁自旋极化效应；（3）过渡金属掺杂二维系统的磁性开关效应：通过化学修饰和应力调控实现了磁性开关及磁有序的连续相变，为实现自旋体系多级存储及逻辑运算提供了平台。