非金属原子嵌入二维 GaN 双层中的半金属性研究(Appl. Phys. Lett. 2023)

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摘要 半金属材料是高效自旋电子器件的理想工质。常见的半金属材料大多含有过渡族金属,局域的d或f电子使其可能不适合未来的自旋电子学应用(如基于碳和有机分子的生物相容性电子器件和设备)。为了克服这一问题,人们提出了无过渡族金属的p轨道半金属材料,但是这些材料的制备往往需要严苛的条件,例如强外场或高载流子掺杂。南京大学陆海鸣副教授课题组与伊犁师范大学黄以能教授合作,采用第一性原理计算发现F插层的GaN双层(F-Ga2N2)是一种不受插层原子浓度影响的p轨道半金属材料,且其半金属性在双轴应变-10%~10%时都可稳定存在。该研究成果为未来自旋电子学应用提供了一种设计无过渡金属的半金属材料的新策略。 图1、F-Ga2N2的(a)几何构型、(b)PBE计算得到的能带图和(c)总态密度和分波态密度 通过第一性原理计算,作者发现F原子倾向于插层在上下两层Ga原子的中间(图1a),从能带图(图1b)可以看出自旋向上部分具有较大的带隙而自旋向下部分则是越过了费米面,因此F-Ga2N2呈现出了半金属性质,且半金属带隙高达0.688 eV。此处能带、态密度的计算,参考中文教程:https://www.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:halfmetallicity 结合分波态密度图(图1c)可以看出该材料的半金属性主要来自于N原子的p轨道,这可以解释为:F原子的插层弱化了Ga原子和N原子间的键合,增加了N原子的p轨道能量,从而使得本征GaN双层的价带顶上移越过了费米面。 图2、无磁态F-Ga2N2的(a)能带图和总态密度和分波态密度图 为了理解这种不同寻常的p轨道半金属性,我们首先计算了无磁态F-Ga2N2的能带图和态密度图(图2),得出其Stoner准则为3.445,表明该材料具有巡游铁磁性。构建4*4*1超胞后的铁磁态、反铁磁态和无磁态能量计算也证实了其铁磁性基态。 图3、不同插层浓度的F-Ga2N2体系的能带图 既然吸附/掺杂浓度通常会影响材料的电子结构,我们也研究了插层浓度对F-Ga2N2半金属性质的影响。当体系的插层浓度从前述100%降低到25%、11%和6.25%时,从图3可以看出插层体系的半金属性一直存在。 在器件设计中,二维材料通常由衬底支撑,两者之间的晶格失配引起的应变也会对二维材料的磁基态和电子结构产生影响。通过计算我们发现,F-Ga2N2的磁基态在双轴应变-10%~10%之间都没有发生变化,而且在10%的双轴拉伸时该体系的半金属性依然存在。 图4、不同双轴应变时的反铁磁-铁磁能量差DE = EAFM–EFM以及拉伸10%的能带图体系的能带图 总结 本文利用AMS软件的BAND模块,进行了F原子插层改变GaN双层电子结构和磁基态的研究。研究发现,不含过渡族金属的F-Ga2N2体系表现出了p轨道半金属性,其中部分填充的平带诱导的Stoner不稳定导致了铁磁有序,而强自旋劈裂导致了半金属性的出现。0.688 eV的半金属带隙使得该材料的半金属性在高温下依然可以存在。此外,鲁棒的半金属性不受插层原子浓度影响,且其在-10%~10%的双轴应变下也不会被破坏。 参考文献: Bai Pan, Like Lin, Yineng Huang, Linglu Wu, Sitong Bao, Haiming Lu, and Yidong Xia, Robust half-metallicity in non-metal atoms intercalated two-dimensional GaN bilayer, Appl. Phys. Lett., 123, 042106 (2023). (https://doi.org/10.1063/5.0156210) 感谢陆海鸣老师课题组供稿!

铌、铝共掺杂的EuTiO3合金中增强的低场磁热效应(J. Mater. Sci. Technol. 2022)

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概述 低温大磁熵变材料在太空科学领域和氢气液化的应用中具有重要的应用价值,因此高效低温磁制冷材料及其相关问题研究,也就成为当前国际上凝聚态物理领域的热点课题之一。稀土Eu基钙钛矿氧化物EuTiO3因具有大磁矩和低磁相变温度,是一类性能优良的低温磁制冷材料。但是,EuTiO3基态是反铁磁,如果能够选择的合金元素掺杂改变其磁基态,则可在低驱动场下实现大磁熵效应。中科院理化所的沈俊教授课题组和南京大学王敦辉教授、陆海鸣副教授课题组合作,结合第一性原理和实验研究了在Ti位同时掺杂Nb和Al对EuTiO3体系电子结构和低场磁热性能的影响。该研究成果为优选高性能低温稀土磁制冷材料提供了新思路。 图1 三种不同Nb和Al掺杂量的Eu(Ti,Nb,Al)O3的总态密度和分波态密度图 研究亮点 通过第一性原理计算,作者发现Nb和Al的共掺使得晶格常数增加且反铁磁的EuTiO3转变为铁磁态。从图1所示的Eu(Ti,Nb,Al)O3体系的总态密度(TDOS)和分波态密度(PDOS)图可以看出,Nb和Al的掺杂引起的自旋极化导致自旋向上和自旋向下不完全对称,巡游的Ti的3d和Nb的4d能级横跨费米能级,发生了绝缘体—金属转变。从PDOS图可以看到,巡游的Ti的3d电子、Nb的4d电子和Al的3p电子都和局域的Eu的4f电子发生交互作用,产生RKKY作用。Nb和Al的掺杂引发的反铁磁-铁磁相变可用四阶扰动理论(fourth-order perturbation theory)来解释。磁相互作用由两个独立的部分组成:RKKY作用和Anderson超交换(前者具有金属特性而后者具有半导体特性)。EuTiO3的态密度图中费米能级处的态密度为0,没有RKKY作用,此时,通过无磁的Ti4+离子的Anderson超交换在EuTiO3中占主导地位,体系为反铁磁。当Nb和Al置换掺杂进来后,自旋极化和交换分裂出现并增加,同时费米能级也移向高能量处,使得Anderson超交换耦合减弱而RKKY作用增强并占主导地位,因此体系呈铁磁态。 图2 不同成分化合物2K时的M(H)曲线以及与其他化合物等温熵变和有效制冷能力的比较 作者发现EuTiO3的磁化强度在磁场低于1 T时线性增加并在2 T时饱和(左图),而三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3在1 T时均达到饱和且饱和磁化强度均高于EuTiO3,这说明Nb和Al的掺杂不仅可以显著降低临界场还可以提高其低场磁化强度。右图是1 T磁场下不同体系等温熵变和有效制冷能力的比较。三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3的等温熵变约为-15.1 J/kg·K,比EuTiO3高了近40%。此外,EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3和EuTi0.75Nb0.125Al0.125O3的有效制冷能力分别达到了88.1和86.0 J/kg,不仅比EuTiO3高了近315%,也都比其他化合物体系的有效制冷能力高。 总结 本文利用AMS软件的BAND模块,进行了通过不同价态阳离子共掺杂改变EuTiO3电子结构和磁基态的研究。研究发现,Nb和Al共掺杂不仅诱发了EuTiO3的绝缘体—金属转变,还引发了反铁磁-铁磁相变。实验结果还表明,共掺杂样品在1T低磁场下的磁熵变都达到了15 J/kg·K,是EuTiO3的1.4倍;特别是EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3的有效制冷能力达到了88 J/kg,是EuTiO3的3倍。该工作明确了元素掺杂的EuTiO3体系中磁交换作用机理,为液氦温区磁制冷提供了有竞争力的候选材料。 参考文献 Huicai Xie, Wenxia Su, Haiming Lu, Zhaojun Mo, Dunhui Wang, Hao Sun, Lu Tian, Xinqiang Gao, Zhenxing Li, Jun Shen, Enhanced low-field magnetocaloric effect in Nb and Al co-substituted EuTiO3 compounds, J. Mater. Sci. Technol., 118, 128, […]

 
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