应变对二维CrTe3磁性影响的第一性原理研究

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二维磁性材料能够在单原子厚度保持自发磁化,它为低维系统的磁性研究提供了新的契机,在信息存储和数据处理等方面有广阔的应用前景。本文系统地研究了应变对单层Cr Te3的电子结构及晶体结构的影响,并且重点探究了应变对单层Cr Te3磁学性质的调控。第一章,我们阐述了磁学的一些基本概念及理论,介绍了二维磁性材料的研究现状,并介绍了包括应变,缺陷,化学修饰及电场等方式对二维材料磁学性质的调控。最后引出本文的主要研究内容。第二章,我们简单介绍了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及本文研究所采用的的计算软件。第三章,我们计算模拟了双轴应变对单层Cr Te3晶体结构及电子结构的影响。我们先优化了Cr Te3块体的晶体结构,分析了它的电子结构。在此基础上建立了单层Cr Te3模型,分析了其键长,键角等晶体结构参数随应变的变化,这些晶格参数的变化与体系的磁相变现象密切相关。之后分析了不同应变下单层Cr Te3的自旋极化能带结构及态密度,发现单层Cr Te3在9%拉伸应变下会发生半导体到金属的相变。最后,我们利用第一性原理分子动力学模拟方法验证了应变范围内的单层Cr Te3在室温下的动力学稳定性。第四章,我们研究了应变对单层Cr Te3磁学性质的影响。首先,通过对称性分析遍历了所选的单层Cr Te3单胞所有可能的磁构型,确定体系最稳定的反铁磁构型,并计算了单层Cr Te3在最稳定的铁磁及反铁磁构型下的自旋电荷密度,发现自旋电荷密度主要集中在了Cr磁性原子上。然后,我们发现应变可以有效调控该体系的磁耦合方式,通过计算不同双轴应变强度下单层Cr Te3在最稳定的铁磁及反铁磁构型下的能量差,发现零应变下单层Cr Te3为反铁磁耦合,当拉伸应变强度增加到4%时体系会发生反铁磁到铁磁态的相变,并且体系铁磁性随着拉伸应变强度增大会更稳定,体系反铁磁耦合稳定性随着压缩应变强度增大而增强,同时单层Cr Te3磁矩也会随着拉伸应变强度增大而增大。我们还发现体系磁晶各向异性能很小且对应变变化不敏感。单层Cr Te3的磁相变现象可以用Goodenough-Kanamori-Anderson(GKA)准则来解释,体系磁耦合状态主要是由体系内直接交换作用与超交换作用的竞争关系决定的。最后,通过拟合单层Cr Te3的磁交换作用常数,利用基于海森堡模型的蒙特卡洛模拟方法计算了体系在应变范围内的居里温度,发现它的居里温度会随着拉伸应变有微小提升但是依然远远低于室温。本文研究主要强调了应变对单层Cr Te3磁性的影响,单层Cr Te3在一定拉伸应变范围下会发生反铁磁到铁磁的相变且保留半导体特性,同时分析了该体系的磁相变机制与磁稳定性。本论文的研究成果为单层Cr Te3在自旋电子器件中的应用提供了理论基础,同时也为二维磁性半导体的调控提供了借鉴意义。
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