【摘 要】
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目前,Mn Se2、Fe3Ge Te2（FGT）和Fe5Ge Te2（F5GT）等二维范德华材料具备较高的居里温度,可用于设计各种高温自旋器件,如磁隧道结和巨磁阻等。这些自旋器件中,材料的层内/层间磁性耦合对器件的性能起着决定性的作用。因此,如何调控这两种耦合作用,对器件的设计有着重要的意义。在本文中,我们的研究将从层内磁性耦合开始,探讨与研究各种调控手段对层内磁性耦合及其性能的影响。然后再将研究
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目前,Mn Se2、Fe3Ge Te2（FGT）和Fe5Ge Te2（F5GT）等二维范德华材料具备较高的居里温度,可用于设计各种高温自旋器件,如磁隧道结和巨磁阻等。这些自旋器件中,材料的层内/层间磁性耦合对器件的性能起着决定性的作用。因此,如何调控这两种耦合作用,对器件的设计有着重要的意义。在本文中,我们的研究将从层内磁性耦合开始,探讨与研究各种调控手段对层内磁性耦合及其性能的影响。然后再将研究逐步拓展到范德华层间磁性耦合,尝试系统性地探讨二维范德华材料的可控磁耦合特性。首先,我们研究了二维材料2D-Mn Se2的层内磁性调控。该材料是一种居里温度接近300 K的二维过渡金属二硒化物。我们从理论上证明了随着应变的增加,2D-Mn Se2可以从反铁磁（AFM）金属转变到铁磁（FM）半金属。其中转变的机制涉及2D-Mn Se2中d-p-d键间接耦合和d-d键直接耦合之间的竞争。同时,空穴掺杂可以有效提升层内FM耦合的稳定性。原子吸附（包括Li、Na、Cl和F）和空位（Mn和Se）的研究,证实了2D-Mn Se2的可控磁性与直接/间接耦合作用和电荷掺杂有关。拉伸应变可以极大地提升间接耦合的作用,导致居里温度急剧升高。体系的磁各向异性能（MAE）变化表明,在应变的作用下,2D-Mn Se2的磁矩会在平面内和平面外来回翻转。接下来,我们将注意力放到层间耦合中。该工作是与合作实验组共同完成的。实验中首次实现了H插层的方法,并在FGT体系中观察到了交换偏置（EB）作用。在计算方面,我们通过第一性原理的方法,探讨了范德华作用力对FGT体系中的层间耦合的重要性。范德华作用明显缩小了FGT的层间间距,并带来更大的化学层间耦合作用。同时,我们发现随着FGT范德华层间的H（FGT:H）的增加,层间化学耦合不断的增强。理论计算表明,基于不同的H插入位点,体系的铁磁与反铁磁耦合的能量差可能会显著缩小,因此他们的纳米薄片中可能同时存在铁磁层（FM）和反铁磁层（AFM）,并形成FM/AFM界面,从而导致实验观察的EB现象。基于Maxwell-Boltzmann分布,我们预估在-4.5 V的电压下,FGT体系中的H的浓度可高达4.75×1022 cm-3。类似地,我们也研究了F5GT的层间磁耦合的变化。有趣的是,实验工作发现,门电路的作用会导致F5GT材料的霍尔电阻回线消失或翻转。基于密度泛函理论,我们研究了F5GT范德华铁磁体的可调谐层间磁耦合和异常霍尔电导。在门电路的诱导下,F5GT体系产生电子掺杂,并诱导F5GT的磁性从FM层间耦合转变到AFM层间耦合。同时,由于电子掺杂,F5GT的霍尔电导会发生转向,与实验观察一致。除此之外,我们发现在极小的应变作用下,F5GT体系的层间磁耦合会出现一个极大值。导致这种情况的原因是体系的Fe5原子磁矩在应变下,发生了突变,从～0.1μB突变到～1.4μB。这种现象和体系的电子转移有关。并且,层间耦合的作用又会反过来提升Fe5原子的磁矩。进一步,我们将研究拓展到范德华异质结的层间磁耦合中。在该体系中,合作实验工作发现,在H的注入和强冷场的作用下,Ising型反铁磁（Fe PS3）/铁磁（Fe5Ge Te2）范德华异质结的EB效应会显著减小。基于此,我们构建了该范德华异质结,模拟了实验中H插层和反铁磁层磁序变化对层间磁耦合的作用。构建的异质结,在最稳定的结构和磁构型下,展示出较大的层间磁耦合并产生交换偏置效应。H的插入可以显著减低层间磁耦合（层间磁耦合从-17μe V/?~2转变到26μe V/?~2）,导致实验中体系的EB效应消失。同时,AFM层的磁序变化也会极大扰乱层间磁耦合（层间磁耦合从-17μe V/?~2转变到5μe V/?~2）,导致实验中体系的EB效应消失。总而言之,我们通过第一性原理的计算方法,研究了各种调控手段,包括应变、H插层、电荷掺杂和缺陷等,对二维磁性范德华材料的层内和层间磁性耦合的影响。我们的研究结果可以很好地解释实验合作组中观察到的各种有趣现象,包括霍尔磁阻回线消失、翻转和EB效应的控制等等。我们的研究可以为未来二维磁性范德华材料自旋器件的设计提供重要参考。
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