中國海洋大學 梁巖課題組

01引言

近年來，緊隨石墨烯的突破性發現而來，二維材料引發了廣泛的關注。得益于它們多樣的元素組成和形態結構，這些體系通常可以展示出獨特的電子、光學以及其他物理屬性。因此，它們作為研究物理化學現象和探索多種應用的平臺有著巨大的潛力，如催化、自旋電子學和能量轉換等。特別值得注意的是，二維鐵磁自旋電子學作為一個新興領域，目前備受關注。它涉及通過對自旋和電荷的操控來同時控制信息處理和存儲，為超越傳統電子器件的量子計算應用提供了高容量和靈活的優勢。

二維鐵磁領域取得了重大進展，利用材料預測、剝離、載流子摻雜、缺陷操控等方法，多種二維磁體已被提出，其中包括三鹵化錳、Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6以及CrI3等。除了微小的尺寸和完全的自旋極化這兩個顯著特點，目前的努力集中在實現輕質、來源豐富性、低成本、高耐久性和無毒等特性的有前景的二維磁體。因此，基于主族元素的無金屬二維材料在鐵磁性研究方面受到了廣泛的關注。與基于過渡金屬的二維磁性體系相比，主族元素p軌道展示出較弱的自旋-軌道耦合，從而產生更長的自旋壽命。這一特點非常有利于未來的技術應用。然而，傳統的無金屬二維鐵磁體通常需要官能化和缺陷工程等精確的操控，這在實驗中很難控制。因此，識別具有優異的電子和自旋特性的本征無金屬二維鐵磁體具有極大的現實意義。

02成果簡介

基于第一性原理方法，我們提供了AsN2單層中p軌道半金屬特性的理論證據。由于N原子的未成對p軌道的產生，該單層呈現出面內自旋鐵磁基態。其半金屬能隙高達0.54 eV，有利于防止熱擾動引起的自旋翻轉。此外，結合密度泛函理論和非平衡格林函數方法，我們驗證了AsN2自旋閥可實現100%磁阻。此外，結果顯示無金屬二維AsN2中的鐵磁性對應變、摻雜、襯底和電場等各種外部干擾具有魯棒性。這些結果為無金屬二維AsN2及其在先進電子學和自旋電子學應用研究中提供了重要參考。

03圖文導讀

圖1(a)無金屬AsN2單層原子結構的俯視和側視圖。(b)AsN2單層的聲子色散。(c)不考慮自旋極化，AsN2的能帶結構和相應的態密度。

圖2(a)AsN2單層的空間自旋密度分布(ρ↑ - ρ↓)。(b)AsN2單層中磁相變的示意圖。(c)AsN2單層垂直于表面平面內能量與磁化極化角度的關系。(d)AsN2單層在鐵磁基態下的自旋極化能帶結構和態密度。自旋向下以藍色和橙色標記，自旋向上以灰色和淺灰色表示。

圖3(a)設想構建的自旋閥模型。紅色和藍色箭頭表示電極和中心散射區的磁化方向。考慮了自旋平行(SP)和自旋反平行(SAP)兩種情況。(b)自旋平行和(c)自旋反平行情況下的零偏壓透射系數。

圖4AsN2單層中反鐵磁和鐵磁序之間能量差隨著(a)雙軸應變和(b)摻雜濃度的變化。(c)AsN2/Ti2CO2異質結的結構和差分電荷，以及(d)相應的能帶結構。Ti2CO2襯底貢獻的能帶用灰色標記。

04小結

基于第一性原理，我們提供了無金屬AsN2單層中p軌道半金屬性的理論證據。鐵磁基態產生于每個N原子未成對p軌道之間的直接交換相互作用。半金屬能隙達到了0.54 eV，將有效防止室溫下的自旋翻轉相變。此外，基于AsN2構建的自旋閥可以實現100%的磁阻。更重要的是，AsN2中鐵磁性的穩定性對應變、載流子摻雜、電場和襯底等外部干擾具有魯棒性。這些發現為探索和應用無金屬的二維半金屬磁體提供了重要的理論基礎。

本項研究中，我們使用了鴻之微Device Studio、Nanodcal和鴻之微云等工具。其中，使用Device Studio軟件分別搭建了AsN2自旋閥的二電極器件，并使用Nanodcal軟件計算了其透射系數，發現可實現可控的半金屬和100%磁阻特性。

審核編輯：劉清