层状过渡金属化合物Fe3GeTe2电子结构和磁学性质的研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，以电子电荷为基础的传统半导体电子技术逐渐接近物理学极限。自旋电子学同时利用电荷和自旋作为信息载体，能够极大提高器件信息处理速度和储存密度，是下一代信息技术的重要发展方向。近年来以石墨烯为代表二维材料已成为凝聚态物理的研究热点，这些二维材料具有十分新颖奇特的物理化学性质，在电子和光电器件等领域都具有极大的应用潜力。但现有的二维材料大多都没有磁性，不能直接应用在自旋电子学器件上。因此寻找新型二维磁性材料，成为越来越多的研究者关注的问题。
　　二维层状过渡金属化合物由于具有部分填满的d壳层以及单层较容易被机械剥离等特性，被认为是极具潜力的自旋电子学材料。本文研究的Fe3GeTe2是一种被实验制备成功的层状铁磁过渡金属化合物，具有较高的居里温度，极具应用前景。但目前关于该材料的磁性耦合机制仍不清楚，急需进一步研究。本论文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对层状过渡金属化合物Fe3GeTe2及单层进行了深入系统的研究，得到了该材料的电子结构和磁学性质，并基于伊辛模型计算了它的磁交换作用，运用平均场理论和蒙特卡罗模拟估计了它的磁转变温度。主要研究内容包括:
　　本文首先研究了Fe3GeTe2的结构和电子结构。用PBE方法研究发现Fe3GeTe2的基态是铁磁态，与实验得出的结论保持一致，计算得到的晶格常数和实验值也符合的较好;同时本文也发现它在-6-1eV区间内态密度主要是由Fe的d轨道贡献，而在费米能级附近的态密度主要是由Fe的d轨道和Te的p轨道贡献。
　　本文还考虑了自旋轨道耦合效应，计算了不同层数的层状Fe3GeTe2的磁各向异性能，发现该材料是一种伊辛铁磁材料，易磁化方向为c轴，磁各向异性能大小约为1100μeV/atom，另外，我们还发现层数对该材料的磁各向异性影响很小。
　　最后本文还结合伊辛模型和约束密度泛函计算，研究了单层Fe3GeTe2磁交换相互作用，运用平均场近似和蒙特卡罗方法比较研究材料的居里温度，并考虑应变对磁交换相互作用和居里温度的调控。二种方法估计的基态居里温度分别分为261K和240K，与实验值符合得较好。另外，计算还发现居里温度在较大的应力范围内基本保持不变。分析表明在应力作用下，J//和J⊥表现出相反的变化，对体系能量贡献几乎保持不变，最后导致了居里温度在较大的应力范围内变化不大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 自旋电子学简介

1．3 自旋电子学材料的研究及其应用

1．4 过渡金属化合物的研究

1．5 本论文的研究意义与主要内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 主要内容

第二章 基本的理论和计算方法

2．1 第一性原理

2．1．1 Born-Oppenheimer绝热近似

2．1．2 Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenber-Kohn定理

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．3 交换关联能量泛函

2．3．1 局域密度近似

2．3．2 广义梯度近似

2．4 赝势

2．5 常用软件简介

2．6 磁交换相互作用机制

2．6．1 直接交换作用

2．6．2 超交换作用

2．6．3 双交换作用

2．6．4 RKKY交换作用

第三章 Fe3GeTe2的基态电子结构

3．1 计算方法

3．2 结构与电子结构

3．3 磁各向异性能

3．4 本章小结

第四章 Fe3GeTe2磁交换作用与转变温度

4．1 约束密度泛函理论方法

4．2 磁交换作用

4．3 蒙特卡洛模拟

4．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录(攻读学位期间发表的论文)