[论文解读] Dilute magnetic semiconductor and half-metal behaviour mediated by 3d transition-metal doped in black/blue phosphorene

Weiyang Yu, Zhili Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 1

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论，研究了黑磷和蓝磷中3d过渡金属（TM）掺杂的行为，结果表明，Ti、V、Cr、Mn、Fe和Ni掺杂在两种相中均诱导出稀磁半导体（DMS）行为，而蓝磷中的Ti和Ni则表现出半金属性质。磁性行为源于部分填充的非键合d态，而Sc和Co掺杂则因完全占据的成键态而保持非磁性。

ABSTRACT

We present first-principles density-functional calculations for the structural, electronic, and magnetic properties of substitutional 3d transition metal (TM) impurities in two-dimensional black and blue phosphorenes. We find that the magnetic properties of such substitutional impurities can be understood in terms of a simple model based on the Hund's rule. The TM-doped black phosphorenes with Ti, V, Cr, Mn, Fe and Ni impurities show dilute magnetic semiconductor (DMS) properties while those with Sc and Co impurities show nonmagnetic properties. On the other hand, the TM-doped blue phosphorenes with V, Cr, Mn and Fe impurities show DMS properties, those with Ti and Ni impurities show half-metal properties, whereas Sc and Co doped systems show nonmagnetic properties. We identify two different regimes depending on the occupation of the hybridized electronic states of TM and phosphorous atoms: (i) bonding states are completely empty or filled for Sc- and Co-doped black and blue phosphorenes, leading to non-magnetic; (ii) non-bonding d states are partially occupied for Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- and Ni-doped black and blue phosphorenes, giving rise to large and localized spin moments. These results provide a new route for the potential applications of dilute magnetic semiconductor and half-metal in spintronic devices by employing black and blue phosphorenes.

研究动机与目标

• 研究二维黑磷和蓝磷中3d过渡金属杂质的结构、电子和磁性性质。
• 确定这些掺杂体系表现出稀磁半导体（DMS）或半金属性质的条件。
• 基于洪特定则和杂化电子态，建立解释磁性行为的物理模型。
• 通过分析自旋磁矩局域化和电子结构，识别适用于自旋电子学器件的有前途候选材料。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，分析黑磷和蓝磷中取代型3d过渡金属掺杂的电子和磁性性质。
• 研究过渡金属d轨道与磷p轨道之间杂化电子态的占据情况，以分类成键和非键特性。
• 使用自旋极化计算确定掺杂体系中局域自旋磁矩的存在与否及其大小。
• 分析重点在于区分成键态完全填满或空置（非磁性）与非键合d态部分填充（磁性）的体系。
• 基于洪特定则的模型解释磁性行为，强调d轨道中电子关联效应的影响。
• 对黑磷和蓝磷相进行对比分析，评估掺杂引起的结构和电子差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些3d过渡金属掺杂剂在黑磷和蓝磷中诱导出稀磁半导体（DMS）行为？
• RQ2 哪些电子结构特征可区分TM掺杂磷烯中的非磁性体系与磁性体系？
• RQ3 为何蓝磷中的Ti和Ni掺杂表现出半金属性质，而其他元素则呈现DMS或非磁性状态？
• RQ4 过渡金属d轨道与磷p轨道之间的杂化如何影响磁性和电子性质？
• RQ5 能否基于洪特定则建立一个简单模型来解释掺杂磷烯中观测到的磁矩？

主要发现

• 黑磷中Ti、V、Cr、Mn、Fe和Ni掺杂因部分填充的非键合d态而表现出稀磁半导体（DMS）行为。
• 黑磷中Sc和Co掺杂保持非磁性，因其成键态完全填满。
• 在蓝磷中，V、Cr、Mn和Fe掺杂表现出DMS行为，而Ti和Ni则表现出半金属性质，其自旋向下通道存在带隙。
• 蓝磷中Sc和Co掺杂为非磁性，与完全占据的成键态一致。
• DMS和半金属体系中的磁矩源于局域的、部分填充的非键合d态，符合洪特定则。
• 非磁性与磁性行为的区分取决于杂化电子态的占据情况：成键态填满或空置导致非磁性，而部分填充的非键合态则导致大而局域的自旋磁矩。