二維雙金屬鐵磁半導體CrMoI6的電子結構與穩定性*

黃玉昊 張貴濤 王如倩 陳乾 王金蘭

(東南大學物理學院, 南京 211189)

(2021 年5 月19 日收到; 2021 年6 月16 日收到修改稿)

1 引 言

二維材料在電子、光電子、催化、電池、生物醫學、傳感器、磁性等領域展現出了越來越廣泛的應用潛力[1-6]. 2017 年, 具有本征鐵磁性的二維CrI3和Cr2Ge2Te6在實驗上被成功剝離[7,8], 這是人們首次通過實驗確認的具有長程鐵磁序的二維半導體材料. 這一突破不僅為探索二維磁體的各種物理機制提供了平臺, 也預示著二維材料將進一步拓展到數據存儲、磁電傳感器、邏輯器件等基于磁性材料的器件領域[9-11]. 但是, 二維磁性半導體材料除了面臨產量化制備和環境穩定性等二維材料的共同難題以外, 還存在著特有的居里溫度普遍較低的困難. 這導致二維鐵磁耦合很難在較高溫度下得以維持. 例如, 已有的CrI3單層的居里溫度低于45 K,Cr2Ge2Te6雙層的居里溫度僅為20 K, 均遠遠低于室溫甚至是液氮溫度, 這極大地限制了它們的實際應用. 因此, 如何通過各種途徑來提高二維磁性半導體材料的居里溫度是當前該研究領域需要解決的重要問題之一.

通過對已有的鐵磁材料進行合金化摻雜是提高材料居里溫度的一個有效方法. Xue 等[12]在單層CrCl3中利用同價W 原子取代50%的Cr 原子, 發現單層CrWCl6具有很強的面外磁各向異性以及強的自旋軌道耦合, 居里溫度達到了76 K;Guan 等[13]通過在二維MnS2鐵磁半導體中引入Re 原子, 構建等價合金化合物MnxRe1–xS2, 將居里溫度提高到室溫以上. 引入Mn-Re 相互作用后,也看到了自旋耦……