二维单层Janus-VSSe及其异质结的自旋和能谷调控

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二维过渡金属硫化物(TMDs)由于独特的物理化学性质,在光电子学、纳电子学、传感、催化和能源等领域拥有广泛的应用前景。其单层结构的空间反演性破缺,导致布里渊区两个不等价能谷具有相反的贝里曲率,但由于本征缺乏磁性,不能诱导自旋极化来产生退化的谷,限制其用于自旋-谷电子学器件。虽然大量研究报道磁性掺杂、吸附、缺陷方式注入自旋,依然存在许多问题。近期,在实验和理论上证实了一种本征室温铁谷材料VX2(X=S、Se和Te),具有自发的铁磁性和谷极化,为实现反常谷/自旋霍尔效应提供很好的平台。因此,本文通过第一性原理计算,系统研究了一类十分新颖的铁谷材料—Janus 2H-VSSe。1、采用Mede A-VASP软件包并基于密度泛函第一性原理计算,深入探究面内应变、层间耦合和垂直电场对室温铁磁性Janus 2H-VSSe单层的谷极化、磁晶各向异性和偶极矩的影响。结果表明,由于V 3d1电子结构和镜面对称性破坏,Janus 2H-VSSe单层具有本征自旋劈裂和平面外偶极矩,并自发地实现大的谷极化(94.8 meV)。结合两带k·p模型,分析知局域V 3d电子的强自旋-轨道耦合与本征磁交换场相互作用导致谷极化现象。在不同双轴应变和层厚度下,Janus2H-VSSe单层仍保持固有的面内铁磁性,且具有可调谐的谷极化和磁晶各向异性,这与费米能级附近V原子的面内d(x2-y2)/dxy轨道占据有关。重要的是,多层Janus2H-VSSe的堆积方式会影响空间反演对称性,进而改变谷极化。外加电场可通过在垂直平面方向进行电荷重排来有效地控制内建电场,从而显著改变Janus2H-VSSe单层偶极矩,并轻微调整谷极化。2、采用第一性原理理论预测了CrI3层的磁近邻效应对2H-VSSe磁性和谷的影响。由k·p微扰理论知,总自旋劈裂来自于自旋轨道耦合作用、VSSe层本征磁交换场以及磁性衬底诱导的塞曼效应,从而导致大的谷极化。另外,谷可以通过界面原子种类、原子堆叠方式、界面距离、甚至双轴应变进行调制。结果表明,以Se-I为界面比S-I为界面的异质结有更大静电势差,呈现相对大的谷极化;V-Cr原子轨道的间接耦合作用强度与V-Cr原子距离以及V-Cr原子是否在空间方向上垂直叠加有关;层间距会影响电荷转移、界面静电势差、和能带的位置,进而导致谷极化随着层间距变化;面内应变导致能带位移十分显著,特别是拉伸应变会使谷间隙明显减小。最后构建三明治结构进一步证实了堆叠效应和层间距效应对VSSe层磁性和谷极化的影响。
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