二维本征铁磁性半导体VSe2和CrI3的电子结构调控

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基于铁磁性半导体的自旋电子器件,具有功耗低、速度快和存储密度高等优良特性。因此,发展新型二维本征铁磁性半导体对研究高性能超薄半导体自旋电子器件具有至关重要的意义。本论文利用密度泛函理论,研究了二维本征铁磁性半导体VSe2和Janus Cr2I3X3(X=Br、Cl)的电子结构和磁性,分析了界面近邻效应和应力对电子结构、磁性和能谷特性的影响,为基于二维铁磁性半导体的自旋电子器件和谷电子学器件提供了理论基础。通过研究2H-VSe2/BiFeO3(111)异质结构的电子结构,发现2H-VSe2单层的V磁矩、自旋和谷劈裂依赖于BiFeO3基底的铁电极化和G型反铁磁序。特别地,BiFeO3基底的铁电极化和磁矩方向可以调控2H-VSe2单层的自旋劈裂和谷劈裂大小,改变2H-VSe2单层的自旋劈裂方向,使2H-VSe2单层的价带顶存在与自旋相关的能谷态。在2H-VSe2/BiFeO3(111)异质结构中实现了铁电、磁性和铁谷之间的耦合。通过研究单层Janus Cr2I3X3(X=Br、Cl)的电子结构和磁性,发现单层Janus Cr2I3X3为稳定的间接带隙半导体,具有本征铁磁性和电极化。单层Janus Cr2I3Br3是具有垂直磁各向异性(PMA)的半半导体。单层Janus Cr2I3Cl3为具有面内磁各向异性(IMA)的双极磁性半导体。双轴应力可以调控单层Janus Cr2I3X3的带隙和V磁矩。在对单层Janus Cr2I3X3施加双轴压缩应力到双轴拉伸应力作用的过程中,观察到了双极磁性半导体到半半导体的转变以及IMA到PMA的转变。研究了范德华双层Janus Cr2I3X3(X=Br、Cl)的电子结构和磁性。双层Janus Cr2I3X3的磁基态和带隙依赖于层间堆叠模式。在范德华双层Janus Cr2I3X3中,堆叠模式对静电势和电极化的影响可以归因于上下单层之间平行/反平行的内建电场。范德华双层Janus Cr2I3X3为PMA,并且双层Janus Cr2I3Cl3具有比双层Janus Cr2I3Br3更大的磁各向异性能。此外,双层Janus Cr2I3Br3表现出依赖于堆叠模式的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。
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