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二维磁性材料：高通量筛选

磁性材料，特别是铁磁半导体，可以与现代半导体工艺进行集成，因此往往被认为是自旋电子学领域中的理想材料。除了本征磁性半导体外，过渡金属掺杂的稀磁半导体也得到广泛研究。另外，不含d/f电子的室温d⁰铁磁半导体也是磁性材料研究的一个重要分支。由于空穴媒介作用被认为是“d⁰铁磁性”的起源，且可以通过掺杂甚至缺陷来实现，这种“d⁰铁磁性”为寻找高温自旋电子材料提供了不同的方案与可能性。与此同时，在过去十年里，二维本征铁磁材料也快速发展，甚至已有一些自旋隧道结的测量研究。

Fig. 1 The workflow of the high-throughput screening for 2D hole-doping induced ferromagnetic materials.

然而，二维本征铁磁材料十分缺乏，且它们普遍拥有较低的居里温度，不利于低维自旋电子学器件的发展与应用。近年来研究者逐渐将目光移至掺杂诱导的二维d⁰铁磁半导体，但是系统的研究依旧缺乏，且自旋极化空穴的交换耦合与非局域化机制尚不清晰。

Fig. 2 Overview of the representative atomic structures of the 2DHDFM, sorted by chemical compositions and space groups.

来自荷语鲁汶大学物理天文学院的Ruishen Meng教授与Michel Houssa教授合作，从三个主流数据库中筛选了数千个二维非磁半导体，并借助高通量密度泛函理论计算，确定出了空穴掺杂引起磁性的潜在候选材料。

Fig. 3 Distribution of spin-polarization energies, magnetic anisotropic energies (MAE) per magnetic ion and magnetic exchange interaction parameters of the 2DHDFM.

他们对材料进行了稳定性计算，最终确定出122种稳定的二维材料。这些材料均可以由空穴掺杂实现稳定的磁有序，并且部分体系的居里温度达到了室温。最后，他们还讨论了铁磁有序的交换相互作用。

Fig. 4 Distribution of Curie temperatures of the 2DHDFM.

该工作大大丰富了二维磁性材料库，同时对空穴掺杂诱导铁磁材料提供了一定的理论见解，为将来实现二维自旋电子器件打下了一定基础。相关论文近期发布于npj Computational Materials 8: 230 (2022)。手机阅读原文，请点击本文底部左下角“阅读原文”，进入后亦可下载全文PDF文件。

Fig. 5 Spin densities and orbital projected density of states of the selected 2DHDFM.

Fig. 6 Schematic diagram of the magnetic exchange interactions.

二维（2D）铁磁材料是未来建构自旋电子器件有前途的候选材料。然而，具有本征铁磁性的二维材料相当稀缺。在此，通过高通量第一性原理模拟，我们筛选出了一系列二维材料，它们会在空穴掺杂条件下呈现出非磁性到铁磁序的转变。随后，我们进行了全局演化搜索其他可能的结构，最终确定了122种表现出空穴掺杂诱导铁磁性的二维材料。我们系统地研究了它们在掺杂时的能量和动力学稳定性以及磁学性质。这些二维材料有一半是金属卤化物，其次是硫族化合物、氧化物和氮化物，其中一些材料的居里温度可以超过300 K。我们还讨论了铁磁序相关的交换相互作用。这项工作不仅为空穴掺杂的二维铁磁材料提供了理论见解，而且大大丰富了二维磁性材料家族，有望实现自旋电子器件应用。

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