【摘 要】
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自旋电子学利用电子的自旋属性或同时利用自旋属性和电荷属性,进行信息的处理和存储,引起了极大的研究兴趣,并得到了一定的应用,如自旋过滤器、自旋阀和自旋场效应管等。理论上具有100%自旋极化率的磁性半金属非常适合用作自旋电子注入源。随着纳米技术和二维材料的发展,探索二维磁性半金属材料并研究其自旋输运特性对发展二维自旋电子学有重要的意义。然而,根据Mermin-Wagner定理,在有限温度下,铁磁序在二
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自旋电子学利用电子的自旋属性或同时利用自旋属性和电荷属性,进行信息的处理和存储,引起了极大的研究兴趣,并得到了一定的应用,如自旋过滤器、自旋阀和自旋场效应管等。理论上具有100%自旋极化率的磁性半金属非常适合用作自旋电子注入源。随着纳米技术和二维材料的发展,探索二维磁性半金属材料并研究其自旋输运特性对发展二维自旋电子学有重要的意义。然而,根据Mermin-Wagner定理,在有限温度下,铁磁序在二维各向同性系统中会被抑制。因此,寻找二维铁磁性材料具有极大的挑战性。可喜的是,最近,实验上已经在几个二维原子层厚度的各向异性晶体中观测到了铁磁序,如Cr I3,Cr2Ge2Te6,VSe2和Fe3Ge Te2。虽然它们不是铁磁性半金属,而是铁磁性半导体或金属,并且它们的居里温度还比较低,但这为寻找二维铁磁性半金属指引了方向。在本文,利用第一原理计算,我们研究了二维过渡金属二氯化物和三卤化物的电子结构和磁性质,并设计了相应的二维横向（离子键结合）和纵向（范德瓦尔斯结合）异质结,利用第一原理结合非平衡态格林函数方法,对其自旋输运特性进行了研究,主要结果如下:1.对于二维单层过渡金属二氯化物MCl2（M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）,我们发现它们的1T相比2H相更加稳定,单层2H-VCl2、Cr Cl2、Co Cl2和Ni Cl2以及1T-Cr Cl2、FeCl2和Co Cl2均表现出半金属性。1T相和2H相的单层FeCl2、Co Cl2和Ni Cl2是铁磁性基态,这与实验结果一致。结合晶体场理论,我们分析了为什么单层2H-VCl2具有低自旋态,而1T-VCl2具有高自旋态。我们还研究了单层1T-FeCl2半金属的输运性质,发现了良好的自旋过滤效应、负微分电阻效应和高磁电阻（达到1.34×105%）。该工作表明了二维单层过渡金属二氯化物在自旋电子学中的潜在应用。2.在二维过渡金属三卤化物MX3（M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni;X=Cl,Br,I）中,只有单层Co X3为无磁性的半导体。单层VX3、Mn X3和Ni X3为狄拉克自旋无能隙半导体,是一种特殊的狄拉克铁磁半金属。基于二维Ising模型的蒙特卡罗模拟,我们预测到单层VCl3的居里温度约为100 K。此外,我们设计了二维单层横向磁隧道结VCl3/Co Br3/VCl3,发现沿zigzag方向的电流远大于沿armchair方向。该磁隧道结有很好的自旋过滤效应和高的隧穿磁阻(高达4.5×1012%)。这些输运特性可以从电极的自旋极化能带和自旋依赖的透射谱给出解释。3.我们进一步设计了一个二维纵向范德瓦尔斯磁隧道结1T-MoS2/1T-FeCl2/2H-MoS2/1T-FeCl2/1T-MoS2,其中的电极为二维无磁金属1T-MoS2,中心散射区为二维铁磁性半金属1T-FeCl2和无磁性半导体2H-MoS2。通过计算平行磁化状态和反平行磁化状态偏压下的电流,我们发现了其中的自旋过滤效应和负微分电阻效应,以及较高的隧穿磁阻。我们还计算分析了偏压依赖的能量空间和动量空间的输运谱,观察到了三种不同的传输通道。这些结果表明了基于二维1T-FeCl2铁磁半金属的范德瓦尔斯磁隧道结在二维自旋电子器件中的应用。
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