类石墨相氮化碳中氮缺陷复合物触发的铁磁性

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近年来,二维范德华晶体中长程铁磁有序的实现使得自旋电子学得到了进一步发展,但是,石墨烯固有磁性的缺乏限制了其在该方面的应用。在石墨烯中,诱导出强的长程铁磁性仍然是一个挑战。研究表明,原子缺陷、氢(氧)原子功能化和氮掺杂等多种因素都能诱导出局域磁矩,然而,这些被诱导的局域磁矩之间形成长程交换耦合才能产生有序的磁性。在这些探索石墨烯磁性的策略中,氮替位掺杂石墨烯因为表现出强铁磁性而备受人们关注。研究表明,氮缺陷复合物的浓度、构型和磁相互作用等多种因素都会影响石墨烯的磁性,并且仍然存在模糊甚至争议。在类石墨烯结构中,人们已经普遍认可了高浓度的氮掺杂是形成长程磁有序的重要原因。三聚吡啶(TPY)、石墨氮(GN)和石墨三氮(G3N)是普遍存在的氮缺陷复合物,并且可以形成高浓度的氮掺杂。在低浓度时,它们对石墨烯的局域磁矩的影响已经被人们广泛研究,但是,在高氮浓度的石墨烯中,它们对石墨烯的长程磁有序的影响依然不足。在本文中,基于TPY、GN和G3N等多种氮缺陷复合体,我们利用RG2代码预测了三种具备能量稳定性的新型类石墨相氮化碳结构,它们的化学式分别为C10N6、C9N7和C7N9。基于第一性原理计算,我们系统地评估了这些结构的稳定性、电子性质和磁性质。结果表明,C10N6和C9N7都是半金属,而C7N9是一种自旋极化金属。在C10N6和C9N7中,巡游p电子占据了费米能级附近的自旋极化窄带,从而诱发了斯托纳铁磁性;而在C7N9中,巡游π电子的离域磁矩之间的直接交换作用是产生铁磁性的原因。磁矩由自旋极化电子结构和长程磁相互作用共同决定,磁相互作用取决于氮缺陷复合物的构型和分离程度等多种因素。在C10N6中,D-TPYs的相互作用诱导出了铁磁,磁矩为2.00μB,并且同时具有π和σ分量,而在C9N7(C7N9)中,TPY与GN(G3N)之间的相互作用会淬火(减小)磁矩的π分量。有趣的是,除了巡游π电子之间的磁相互作用外,我们还发现了局域面内未成对电子之间的直接磁相互作用。我们的研究结果将有助于对类石墨烯磁性的探索,希望有助于实验工作者在类石墨烯材料中产生长程磁性。
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