空位、应变对单层锑烯可调谐电子和磁性性质的影响

关键词：锑烯、空位掺杂、磁性性质、MedeA VASP、DFT

1. 研究背景

自从磁体发现以来，磁现象激发了人们的好奇心，对磁体的研究和应用促进了人类文件的进步，磁性材料已广泛应用于磁记录和电磁设备中。随着自旋电子学的发展，发现新型磁性材料应用于自旋电子学期间中已成为当务之急。迄今为止，人们对锑烯的几何结构和电子性质、物理性质等进行了大量研究，然而对锑烯的磁学性质研究还不够。本案例中，作者通过第一性原理系统研究了含空位掺杂和平面双轴应变的锑烯磁性性质，重点分析几何性质，电子结构与自旋状态之间的关系，进一步揭示锑烯特征，并预测锑烯具有可调谐磁性性能。

2. 建模与计算方法

作者通过Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索Sb结构并创建单层锑烯结构，随后采用Supercell Builder创建了5x5超晶胞，创建含空穴单层锑烯结构。接着采用MedeA-VASP模块中采用密度泛函DFT的方法，对不同体系进行结构优化，采用PAW赝势，截断能400eV；结构优化和电子性质计算中的K点设置分别采用5x5x1和9x9x1。在VASP计算中考虑自旋极化，并考虑自旋轨道耦合（SOC）效应，计算了体系电子和磁性性质。

3. 结果与讨论

3.1 锑烯中掺杂空穴

作者采用MedeA-VASP模块对含空穴的锑烯进行优化，并分析结构电子性质。锑烯中引入一个中性空位，见图1。通过计算发现，单层锑烯中引入空位后，晶格常数l从20.60Á变到20.39Á，d（1#、2#、3# Sb原子之间等距）从4.12Á减小到3.45Á。与锑烯原始结构相比，从图1b中可看出，在空穴处有电子聚集，说明Sb 1#、2#、3#原子之间存在成键作用。由价电荷分布可知，三个Sb原子通过共享电子形成弱局域键，其本质是铁磁交换相互作用造成。

图1 锑烯中空穴掺杂：(a)结构; (b)差分电荷密度; (c)不同面电荷密度分别

作者进一步分析锑烯电子性质能带及电子态密度，见图2。图2a可知，空穴处产生两种电子特性，一是自旋分裂，另一种是费米能级附近有缺陷带（E=0），缺陷带存在，导致锑烯产生新的物理性质；图2b显示自旋向上和向下的电子在缺陷能带呈不对称性分布，自旋分裂△Esp ~0.2eV，体系总磁矩为10 μB。

图2 锑烯中空穴诱导磁性：(a)能带结构；(b)态密度; (c)空位浓度对磁性影响

3.2 应变对锑烯影响

接着作者计算了不同应变对含空位锑烯的影响，见图3。在压缩应变下，空穴周围三重对称性不变，随着应变增大到4%，空穴周围三重对称性被破坏，等边三角形Sb原子结构转变为2#、3# Sb原子之间距离较大的等腰三角形，见图3a。当应变从-4%到3%时，电荷密度逐渐减小，三个Sb原子之间键减小；当应变超过4%，2#、3# Sb原子之间键消失；同时在较高应变作用下，体系从铁磁性（FM）变为反铁磁（AFM）。

图3  双轴应变 (a)几何结构; (b)电荷密度分别; (c)磁化电荷密度; (d)稳态AFM和亚稳态FM能量差

3.3 Sb2Te3基底上锑烯分析

作者进一步分析含缺陷的锑在基底Sb2Te3上的磁性。从图4自旋电荷密度分布可知，AFM构型中，磁性主要来源于锑烯空穴附近的三个Sb原子；自旋分裂缺陷能带在费米能级附近。锑烯有两种空穴类型，都具有半导体特性，而锑烯中空位产生的磁性，几乎不受Sb2Te3基底的影响。

图4  Sb2Te3(001)基底上锑烯 (a) vacancy tpe-I; (b) vacancy type-II

4. 总结与展望

本案例中，作者通过第一性原理分析了含空位锑烯结构、电子性质及磁性性质。锑烯中引入空位，可将体系转变为总磁矩为1 μB的半磁性金属，其磁性来源于空穴附近的未充满的自旋极化p电子，通过铁磁交换作用形成弱键。单层锑烯掺杂空穴后具有可调的磁电子性质。本案例的研究具有非常重要的科学意义，有助于进一步分析低维自旋电子器件。

参考文献：

Xing Fan, Yu Li, Liumei Su, Kuan Ma, Junqin Li, Han Zhang. Theoretical prediction of tunable electronic and magnetic properties of monolayer antimonene by vacancy and strain. Applied Surface Science 488(2019) 98-106

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