南开大学研究团队实现二维铁磁半导体材料居里温度突破

南开大学研究团队实现二维铁磁半导体材料居里温度突破

二维铁磁半导体材料由于其居里温度远低于室温，限制了其实际应用。南开大学研究团队通过元素替换方法，成功调控p-d轨道能量，显著提高了材料的居里温度至室温附近，为这类材料的实际应用开辟了新的可能性。

目前所发现的大多数二维铁磁半导体材料的居里温度远低于室温，限制了其实际的应用。而居里温度与材料的磁交换相互作用强度有关，寻找合适的方法调控材料的磁交换相互作用显得尤为重要。

图1 CrXY单层的几何和磁性构型

来自南开大学电子信息与光学工程学院的邵斌副教授、左旭教授团队，该研究通过元素替换的方法，调控p-d轨道之间的能量，提高轨道耦合的共价性，从而增强材料的磁交换相互作用强度，提高材料的居里温度。他们基于第一性原理计算和紧束缚理论，分析了影响材料磁交换相互作用强度的主要因素，发现对于具有八面体晶体场的半导体材料，降低阴离子p轨道与金属eg轨道的能量差，可以显著提高材料的磁交换相互作用。

图2 CrSeI单层的磁性和电子性质

作者通过对铬硫属卤素化合物（CrXY）单层的研究，发现材料初始的三重旋转对称性引起的p-d轨道之间电子的交换极化作用，使得材料在铁磁态的能量是最低的。基于紧束缚理论构建的哈密顿量矩阵，通过downfolding原理将高维条件的哈密顿量投影至低维的有效哈密顿量，得到的磁交换相互作用的具体形式表明，p-d轨道的能量差对磁交换相互作用强度有着重要的影响。当使用S/Se替换O离子时，会显著地降低p-eg轨道的能量差，从而增强CrSY/CrSeY单层的铁磁耦合强度，使得材料的居里温度提高至室温附近。

图3 铁磁超交换机制

该研究阐明了轨道能量差引起的共价性对于材料的磁交换相互作用的重要性，这为调控铁磁半导体材料的居里温度提供了可行性的思路。相关论文近期发布于npj Computational Materials9:56 (2023)。

图4 不同轨道的能量差

研究团队基于第一性原理计算和紧束缚理论，深入分析了影响材料磁交换相互作用强度的关键因素。他们发现，对于具有八面体晶体场的半导体材料，通过减小阴离子p轨道与金属eg轨道的能量差，可以显著增强材料的磁交换相互作用。具体来说，当用硫（S）或硒（Se）替换氧（O）离子时，可以显著降低p-eg轨道的能量差，从而增强CrSY/CrSeY单层的铁磁耦合强度，使材料的居里温度提升至室温附近。

图5 Jex 1随Δ1的变化（Δ2=5 eV，ΔCF=2.5 eV，Ud=5 eV）

这项研究不仅揭示了轨道能量差对磁交换相互作用强度的影响机制，更为重要的是，它为调控铁磁半导体材料的居里温度提供了一条切实可行的途径。通过调控Cr-X键的共价性，研究团队成功将某些CrXY单层材料的居里温度提升至室温附近，这一突破性进展为二维铁磁半导体材料的实际应用开辟了新的可能性。

图6 CrXCl单层的差分电荷密度

图7 CrXY单层的比热容和居里温度

他们的研究阐明了轨道能量差引起的共价性对于材料的磁交换相互作用的重要性，这为调控铁磁半导体材料的居里温度提供了可行性的思路。相关论文近期发布于npj Computational Materials9:56 (2023)。