[论文解读] Half-Semiconductor antiferromagnets and Spin-Gapless-Semiconductor antiferromagnets

Junjie He, Pan Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出了半半金属反铁磁体（HSCAF）和自旋带隙无隙半导体反铁磁体（SGSAF）——这类材料在相同自旋通道中具有完全自旋极化的价带和导带，且净磁矩为零。通过DFT+U计算，作者证明了在具有双空位的六方氮化硼（BN-DV）中，Fe和Cr共掺杂可通过过渡金属之间的反铁磁耦合实现HSCAF和SGSAF态，从而在无净磁化的情况下实现自旋电子学应用。

ABSTRACT

We propose a concept of half-semiconductor antiferromagnets in which both spin-polarized valence and conduction bands belong to the same spin channel with completely compensated spontaneous magnetization. Using density functional theory plus Hubbard U (DFT+U) methods, we find a viable approach to achieve the half-semiconductor antiferromagnets through the transition metal (TM) Fe and Cr codoped boron nitride(BN) sheet. Moreover, spin gapless semiconductor antiferromagnets with zero magnetic moment are also achieved in such systems.

研究动机与目标

• 设计新型反铁磁半导体，其价带和导带均实现完全自旋极化，但净磁矩为零。
• 解决自旋带隙无隙半导体反铁磁体（SGSAF）和半半金属反铁磁体（HSCAF）在实验上尚未实现的问题。
• 识别一种可行的材料平台——即具有双空位的Fe和Cr共掺杂六方氮化硼（BN-DV）——以支持这些奇异磁性态。
• 证明Fe和Cr离子之间的反铁磁耦合可实现完全磁矩补偿，同时保持自旋极化。
• 提供一种具有弱自旋轨道耦合和简单结构的二维单层体系，适合HSCAF和SGSAF的实验实现。

提出的方法

• 采用带有Hubbard U校正的密度泛函理论（DFT+U）来模拟Fe和Cr共掺杂BN-DV体系的电子和磁性性质。
• 使用包含110个原子的超胞来模拟单层BN中B-N双空位处Fe和Cr的取代，确保结构稳定性。
• 通过自旋电荷密度（SCD）和Kohn-Sham响应函数分析磁耦合，等值面阈值设为0.005 e/ų。
• 利用d轨道能级简化模型及Fe²⁺与Cr²⁺离子间虚拟电子跃迁评估交换相互作用。
• 应用双交换机制解释Fe和Cr离子间反铁磁耦合的稳定性。
• 通过分析价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）处的能带结构与自旋极化度，确认在相同自旋通道中实现100%自旋极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实材料中实现具有完全自旋极化能带且净磁矩为零的半半金属反铁磁体（HSCAF）？
• RQ2 能否在二维宽带隙半导体中通过过渡金属共掺杂实现自旋带隙无隙半导体反铁磁体（SGSAF）？
• RQ3 何种磁耦合机制可在Fe-Cr共掺杂BN-DV中实现磁矩完全补偿，同时保持自旋极化？
• RQ4 Fe²⁺与Cr²⁺不同的交换能级分裂行为如何共同促成VBM与CBM处于同一自旋通道？
• RQ5 由于结构简单且自旋轨道耦合较弱，Fe/Cr共掺杂的二维BN-DV体系是否是实现HSCAF与SGSAF的可行候选材料？

主要发现

• 在具有B-N双空位的Fe和Cr共掺杂六方氮化硼（BN-DV）中，通过同一自旋通道实现了100%自旋极化的价带和导带，形成半半金属反铁磁体（HSCAF）态。
• 由于Fe²⁺与Cr²⁺离子之间的反铁磁耦合，该体系表现出零净磁矩，每个离子具有4 μB的磁矩并实现完全补偿。
• 同一Fe-Cr共掺杂BN-DV体系中实现了自旋带隙无隙半导体反铁磁体（SGSAF）态，其在多数自旋通道中费米能级处呈现无隙交叉。
• 双交换机制稳定了Fe和Cr离子之间的反铁磁耦合，避免了额外的Hund规则能量代价。
• Fe²⁺的反向交换分裂（多数自旋能级较高）与Cr²⁺的反向交换分裂（多数自旋能级较低）共同导致VBM与CBM处于同一多数自旋通道。
• 具有弱自旋轨道耦合和简单晶格的单层BN-DV结构为HSCAF与SGSAF的实验实现提供了有利平台，优于以往的体相HMAF体系。