纳米自旋电子材料与器件团队
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《Nanoscale》发表李胜世博士等关于过渡金属溴化物纳米线中半金属性的研究

一维自旋极化率为100%的半金属材料非常适合于自旋电子学中的应用,因为它可以很好地满足器件高集成度和小型化的发展趋势。而过渡金属卤族化合物由于其多种多样的结构和物理性质,在过去的几年中备受关注。更重要的是,它们的一维体系在实验上已经取得了重大进展,然而其电子和磁学性质的研究还极为罕见。因此,探究一维过渡金属卤化物纳米线的半金属性及其背后的物理机制不仅可以丰富该材料体系,还可以推动自旋电子学的发展。

本工作中,我们从理论方面研究了3d过渡金属溴化物(TMBr3)纳米线的磁学和电子性质。该纳米线是八面体结构的TMBr3分子在单一方向上的延伸,在实验上极有可能通过纳米管的生长方式来进行制备。在这些纳米线中,VBr3CuBr3均表现出了铁磁基态,并且具有相当大的磁晶各向异性能,主要是由过渡金属原子之间的超交换作用所决定的。有趣的是,我们在VBr3纳米线中发现了本征的半金属性,其单胞磁矩为4µB。通过紧束缚模型,我们推导出该半金属性是由V原子的半填充的e2轨道所提供的。根据蒙特卡洛模拟,该半金属性体系的居里温度可以达到80K,明显高于液氮的温度。除此之外,体系的半金属性对于纳米线的纵向拉伸具有很好的鲁棒性。而对于CuBr3纳米线,通过载流子掺杂可以实现从铁磁半导体到半金属的转变。高温铁磁性和半金属性的共存赋予了一维TMBr3纳米线在自旋电子学和光电器件中极大的应用前景。

该工作发表在一区期刊Nanoscale上,由山东大学物理学院颜世申教授与济南大学物理科学与技术学院张昌文教授合作培养的博士研究生李胜世在两位导师的指导下完成,受到了国家自然科学基金(Nos. 11434006)国家重点基础研究发展计划(Nos. 2013CB922303和2015CB921502)、111项目(No. B13029)和山东省自然科学基金(No:ZR2018MA033)的资助。



论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr03322f


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