固體所在二維SnO2材料的理論預測研究方面取得新進展

發表時間: 2020-11-11 作者:姜朋

近日,中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部鄭小宏研究員課題組在二維二氧化錫(SnO2)材料研究中取得新的進展。研究人員基于第一性原理計算方法理論預測了SnO2的二維單層δ相(P-4m2可以穩定存在,并且發現δ的二維SnO2材料具有平面內負泊松比特性。此外,通過空穴載流子摻雜可以誘導體系從非磁態向鐵磁序轉變,同時也能夠實現完全自旋極化的半金屬性。相關結果以“Computational Prediction of a Novel Two-dimensional Semiconductor SnO2 with Negative Poisson's Ratio and Tunable Magnetism by Doping”為題發表在 Physical Review B(Phys. Rev. B 102, 195408 (2020)) 上。

SnO2塊體是一種n型寬帶隙的半導體材料,常見的結構為金紅石結構。由于具有很好的化學穩定性、高透光率、低電阻率以及耐酸堿等特點,SnO2在電極材料、化學傳感器元件及太陽能電池等方面具有巨大的應用前景。研究表明,通過在SnO2塊體中摻入3d過渡金屬雜質能夠實現室溫鐵磁性體系引入氧空位時,可以薄膜樣品中觀察到鐵磁,而在塊體樣品中觀察不到。盡管SnO2塊體材料在實驗和理論上已經被廣泛研究,但其對應的二維單層相的相關研究依然很少。而進一步探究SnO2二維相是否存在及其摻雜誘導室溫鐵磁性的可能性無論對二維半導體領域還是對自旋電子學領域都具有重要的意義。

此,研究人員基于密度泛函理論計算發現了δ的二維SnO2δ- SnO2能穩定存在,且是一種具有平面內負泊松比(ν=-0.11)性質的單層材料,而負泊松比的形成主要是由于晶格結構對稱性與SnO4四面體在低維效應限制下的協同作用造成的。此外,結果表明,該單層SnO2是一種帶隙為3.7 eV的間接帶隙半導體,電子遷移率可高達103 cm2V-1s-1。有趣的是,SnO2在費米能級附近的價帶中呈現出雙墨西哥帽狀的能帶特征。由于這個特征,我們可以通過空穴載流子摻雜方式來誘導體系發生鐵磁相變,并且它在很寬的摻雜濃度范圍內能夠表現半金屬性。這種磁性相變用Stoner機制可以很好地解釋。此外,通過改變空穴載流子摻雜濃度還可以實現二維XY磁體和Ising磁體二者之間的轉變,并且在適當的摻雜濃度下,其鐵磁轉變溫度可高于室溫。這些研究結果表明,所預測的SnO2相是罕見的p型磁性體系的又一個重要例子,同時也說明了所預測的SnO2二維相在納米力學和低維自旋電子學方面具有潛在的應用前景。

本研究工作得到國家自然科學基金和國家留學基金委的資助,相關計算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章鏈接: https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.195408 

1.a)二維單層δ-SnO2的晶體結構俯視圖和側視圖bx方向上的應變施加在體系y方向上的拉伸應變的變化關系

2.a不同磁構型(非磁、鋸齒形反鐵磁以及條紋反鐵磁)與鐵磁構型的磁能量差隨空穴載流子摻雜濃度變化的曲線關系;(b)體系的磁矩與空穴載流子摻雜濃度的變化關系。

3.a空穴摻雜的二維δ-SnO2體系的磁各向異性能和(b)鐵磁轉變溫度與空穴載流子摻雜濃度的變化關系。

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