Tetra-MoN2的表面修饰及磁性调控:第一性原理研究

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作为二维过渡金属二氮化物的代表之一,二氮化钼(MoN2)由于其潜在的应用前景,近年来受到了广泛的关注。到目前为止,四方晶格的二氮化钼(Tetra-MoN2)被证实为MoN2中最稳定的结构,它是一种具有间接带隙的非磁性半导体。鉴于二维磁性材料广阔的应用前景,对二维Tetra-MoN2进行磁性调控是有意义的。使用第一性原理研究了在单层(4×4)Tetra-MoN2超胞吸附过渡金属元素、碱金属元素、一些非金属元素(B原子、C原子、N原子、P原子、O原子及S原子)以及卤素元素,并且在此基础上施加微小的双轴拉伸应力和压缩应力,以及注入一定浓度的载流子(包括空穴和电子),从而对单层(4×4)Tetra-MoN2超胞进行磁性调控。研究发现,过渡金属元素(Fe原子、Mn原子)、碱金属元素(Li原子、Na原子和K原子)、非金属元素(C原子、O原子、S原子)以及卤素元素(Cl原子、Br原子和I原子)吸附之后,不论采取哪种措施,都不会诱导出单层(4×4)Tetra-MoN2超胞的磁性。而一个B原子吸附后,单层(4×4)B-Tetra-MoN2超胞拥有0.65μB的磁矩,再加上4%的双轴拉伸应力,体系磁矩减少了0.30μB;如果同时施加4%的拉伸应力和浓度为1.0×1014cm-2的载流子(包括空穴和电子)在单层(4×4)B-Tetra-MoN2超胞,体系磁性消失。单层(4×4)N-Tetra-MoN2超胞和P-Tetra-MoN2超胞拥有接近1.00μB的磁矩,再加上4%的拉伸应力体系磁性也几乎不变。不过一旦在单层(4×4)N-Tetra-MoN2超胞中加入载流子(包括空穴和电子),体系则变为非磁性的。而单层(4×4)P-Tetra-MoN2超胞同时施加4%的拉伸应力和浓度是1.0×1014cm-2的电子,体系磁性减小了0.84μB,如果把注入的电子换成等浓度的空穴,体系磁性消失。F原子吸附在Tetra-MoN2表面后,氟化的四方晶格二氮化钼(F-Tetra-MoN2)在N原子的极化p电子介导下,并在应力和电荷掺杂诱导下,F-Tetra-MoN2表现出丰富的磁性变化。例如,单层(4×4)F-Tetra-MoN2超胞中引入6%的双轴拉伸应力,此时单层(4×4)F-Tetra-MoN2超胞产生0.90μB的磁矩。并且,当掺杂一个空穴时,磁矩增加到2.00μB左右;而当掺杂一个电子时,自旋极化消失。F原子的吸附率或者F原子之间的距离也会引起磁性的剧烈变化。吸附在Tetra-MoN2表面的F原子有聚集的趋势,导致较强的、甚至100%的自旋极化。这些结果为进一步优化Tetra-MoN2的磁性提供了一条有效途径,并对自旋器件的发展作出了贡献。
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