应变诱导单层NbSi2N4材料磁转变的第一性原理研究

作者：姜楠; 李奥林; 蘧水仙; 勾思; 欧阳方平^*

来源：Acta Physica Sinica, 2022, 71(20): 222-230.

• 二维材料
• 第一性原理
• 磁性
• 应变

二维材料磁性的有效调控属于国内外的前沿研究领域.本文运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了双轴拉伸应变对单层NbSi2N4磁性的影响.声子谱和分子动力学的计算结果表明,单层NbSi2N4结构具有良好的动力学与热力学稳定性.研究发现单层NbSi2N4为无磁金属, 1.5%的双轴拉伸应变可使其转变为铁磁金属.对单层NbSi2N4材料电子结构的分析表明,拉伸应变诱导的铁磁性具有巡游电子起源:当不考虑自旋极化时,单层NbSi2N4在费米能级处存在一条半满的能带,其主要由Nb原子的dz2轨道贡献,拉伸应变可使其更局域化,进而引起斯通纳不稳定性,导致铁磁性的产生.此外,对磁各向异性能的计算表明,应变可使单层NbSi2N4的易磁化轴方向发生垂直-面内-垂直方向的翻转.基于海森伯模型的蒙特卡罗模拟结果表明,拉伸应变可显著提高单层NbSi2N4的居里温度.单层NbSi2N4的居里温度在2%应变时为18 K,在6%应变时提高到87.5 K,比2%应变时提高了386%.本研究为应变调控二维层状材料的磁性提供了理论参考,在力学传感器设计和低温磁制冷领域有着潜在的应用前景.

• 单位
  中南大学; 物理与电子学院; 粉末冶金国家重点实验室