论文总字数：21493字

摘 要

本文主要研究了CrI₃、CrSiTe₃、MoN₂以及GaSe这几种经典二维磁性材料，简单了解其物理基本性质，包括电子特性，结构特点以及磁性能等方面。后根据常见的几种调控方式：应变、掺杂、电场等了解其对磁性能方面的影响。对于采用适当的单轴和双轴应变组合，确实可以达到对实现对带隙的剪裁和铁磁性的增加。但是在特定的晶向上磁矩并不会发生改变。对于双层CrI₃而言，以上几种调控都可发生AFM-FM的转变。CrSiTe₃在双轴应变下FM稳定性提高。而MoN₂和GaSe则是让我们对过渡金属二氮化物和ⅢA金属-单硫族化合物的内在机制有了更深的了解，为我们提供了磁性材料制备和磁性能电控制的新思路，也显示出这类材料在自旋电子应用方面的巨大潜力。

关键词：二维磁性材料；CrI₃；磁性能

Abstract

In this paper, several classical two-dimensional magnetic materials, CrI₃, CrSiTe₃,

MoN₂ and GaSe, are studied. Their basic physical properties, including electronic properties, structural characteristics and magnetic properties, are simply understood. Then, according to several common control methods: strain, doping, electric field and so on, we know the influence on magnetic properties. For the proper combination of uniaxial and biaxial strain, the band gap can be cut and the ferromagnetism can be increased. However, the magnetic moment does not change in a specific crystal direction. For double-layer CrI_3.AFM-FM can be transformed by the above regulation. The FM stability of CrSiTe3 is improved under biaxial strain. In addition, MoN₂ and GaSe give us a deeper understanding of the internal mechanism of transition metal diazides and Ⅲ-A metal monosulfide compounds, which provide us with a new way to prepare magnetic materials and control their magnetic properties and electricity, and also show the great potential of such materials in spin electron applications.

Key Words：two dimensional magnetic materials; CrI₃; magnetic properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 二维材料的发展及特性 1

1.2 二维磁性材料的研究进展 1

1.2.1 二维铁磁材料研究进展 1

1.2.2 二维反铁磁材料研究进展 1

1.2.3 二维磁性材料制备 2

1.3 本文的研究目的和内容 2

第2章 CrI₃的基本物理性质和性能调控的调研 4

2.1 引言 4

2.1.1 晶体结构 4

2.1.2 能带特性 4

2.1.3 磁性能 5

2.2 调控方法 5

2.2.1 应变 5

2.2.2 掺杂 8

2.2.3 电场 9

2.3 本章小结 10

第3章 其他二维磁性材料性能调控的调研 11

3.1 CrSiTe₃ 11

3.2 MoN₂ 12

3.3 GaSe 13

3.4 本章小结 14

第4章 总结 15

参考文献 16

致 谢 18

第1章 绪论

1.1 二维材料的发展及特性

2004年，由英国科学家Novoselov和Geim首次采用机械剥离法将石墨烯从石墨中剥离出，由此发现了石墨烯这一可以稳定存在的二维材料^[1]。此前，由于晶格热扰动存在，在热力学上分析认为二维材料不能稳定存在^[2]。石墨烯的发现是人们对于二维材料有了前所未有的关注。

二维材料具有以下特点：第一，材料的电子只能在平面内自由移动，故二维材料的导电导热性能比较优异；第二，极薄的原子厚度和较强的共价键作用使其具有很好的透明度且强度高，可实现弯曲；第三，由于大量原子暴露在表面，提高掺杂、空位、吸附等手段的可能性。由于其以上的独特性质，让人们看到了这种新型材料所蕴藏的潜在前景，包括基于二维材料的超级电容器、光催化技术、电催化技术、光电探测器、场效应晶体管等。但是目前研究的大多数二维材料，如石墨烯、过渡金属单硫族化合物（TMDs）、IV-V族二元化合物材料等基本都是本征无磁的。

1.2 二维磁性材料的研究进展

磁性的研究一直都是学者们的核心工作之一，此外受益于自旋电子器件中磁单元的加速微型化小型化，如巨磁电阻、自旋阀、磁随机存取存储器等自旋逻辑器件，近年来对于材料磁性的研究尤为活跃。但对于二维材料是否存在磁有序问题一直是饱受争议的。根据Mermin-Wagner(M-W)定理，有限温度下各向异性海森堡模型中的二维磁有序是不能存在的^[3]。但是，自2017年Xiaodong Xu课题组提出的单层CrI₃是铁磁半导体^[3]以来，逐渐有实验研究发现，在一些二维范德瓦尔斯层状材料中是存在铁磁有序和反铁磁有序，且这些磁有序材料都表现出很强的磁晶各向异性。目前所知的二位磁性材料大致可分为：铁磁二维材料包括CrXTe₃(X=Si，Ge)，CrI₃等，反铁磁二维材料包括FePS₃,MnPS₄等。但研究发现，这些单原子层材料的磁性却会随原子层厚度的变化而发生改变。以CrSiTe₃为例，单层CrSiTe₃会由块状时的铁磁性变为反铁磁性，居里温度则会随着材料厚度的减小而增大^[4]。

目前，二维材料研究主要解决的问题就是如何得到本征磁性材料以及如何采取可行的方法控制材料的磁性能。在通常情况下，获得的磁性材料表现出的磁性很弱，且在实验过程中很难实现引入缺陷的可控性，从而产生的问题就是载流子过于分散，降低材料的运输性能。因此，现阶段的工作重点就是获得稳固的二维磁性材料并且实现对其磁性能的可控调节。

1.2.1 二维铁磁材料研究进展

铁磁代表的是一种与晶体内固有的的磁偶极矩或电子自旋平行排列的磁序形式。即使是在无外加磁场的情况下，那些没有宏观净磁矩的高温计数器部件也可实现自发磁化的铁磁相。目前，二维铁磁材料大致可分为两种，一是首先证实二维磁有序存在的单层CrI₃这铁磁半导体，二是不仅具有长程铁磁序，还表现出金属导电性的以Fe₃GeTe₂为代表的铁磁金属。虽然CrXTe₃(X=Si，Ge)，CrI₃的块体材料具有铁磁性，但完成将单层材料从块体剥落下来依旧具有铁磁性的验证直到2017年才实现。对于CrI₃,发现其属于二维Ising铁磁体，且易磁轴沿着面外方向。在之后的研究中发现双层的CrI₃是反铁磁体，且在电场和磁场的共同作用下，可以实现其可控的反铁磁态和铁磁态的相互转化，即外加磁场很小时，磁光克尔转角几乎不变，知道外加磁场足够大时双层的CrI₃变成铁磁态。但对于单层和三层的CrI₃，这种作用并不会改变其磁学性质。就是对这些在电场、磁场下的磁性进行调控的研究中^[5]，让我们逐步认识到二维磁性材料中对磁性能实现调控的可能。

1.2.2 二维反铁磁材料研究进展

相较于二维铁磁材料，二维反铁磁材料由于宏观净磁矩为零，故在实际应用方面总受到限制。其实，反铁磁材料FePS₃的单层少数层的奈尔温度早在2016年就已经被确定^[6]，并且由于FePS₃的原子层与原子层之间是由范德瓦尔斯力连接，因此自旋沿着垂直于堆垛层的方向排列，这时可以采取机械剥离的方法完成单层FePS₃的制备。但真正的挑战在于直接观测的方法，那是由于可以获得测量的信号本身非常微小，加上直接观测单原子层厚度材料的磁性显得更加困难。目前所采用的一种无损检测手段是利用拉曼光谱，通过在检测时观察材料的特征拉曼峰强度或者位置的变化来确定材料的厚度和反铁磁材料的磁性转变情况等。在研究反铁磁材料的过程中，人们发现其在设计超快、低耗的自旋电子学器件方面的潜力。

1.2.3 二维磁性材料制备

关于磁性材料的制备工艺问题，在之前便有一些理论工作为在二维材料中实现磁性提供了不同的路径^[7,8]。一是缺陷诱导，即如在GeSe中可以通过空穴掺杂实现磁性的引入；二是替代，即用磁性元素替代材料中原本无磁性的原子来达到材料的磁性；三是利用磁近邻相互作用，即把二维材料放在具有磁性的基片上，利用磁近邻作用诱导出材料的磁性。大量的研究表明，二维材料的边缘结构、缺陷和掺杂可能在引入磁性方面起到一定的作用。然而，二维材料的磁性感应对于边缘和缺陷的类型以及掺杂的位置依赖性很大，因此在制备过程中就存在一个不可避免的问题就是对于边缘、缺陷和掺杂的精确控制。

1.3 本文的研究目的和内容

本文中我们主要研究二维磁性材料中另一大问题，便是实现对磁性能的调控性。目前，研究发现通过掺杂、应力调控等手段可以实现二维材料中引入磁性，且当层状范德瓦尔斯材料在稀释到单原子层时，它的性能表现出剧烈的变化，包括从间接带隙向直接带隙的过渡，多体量子临界变化和场可调性等。因此我们可以看见具有可控磁性的二维材料具有极大的应用前景。材料基本上可以通过两种途径进行调制，首先是便是电子结构，晶体结构的多样性为实现控制材料结构控制电子结构提供了最基本的途径。其次就是尺寸和晶格尺寸的影响。比如，块状的MoS₂是间接带隙半导体，而单层时却是直接带隙半导体。

低维材料由于对称性的降低而具有较好地控制性能，是实现磁性材料可控的理想系统。操纵磁性能一个有希望的途径就是通过弹性应变，它允许人们通过利用简单的弹性应变来控制材料的电子和磁性能。毕竟大的弹性应变很少存在与块状材料中，因为在此过程中容易产生因错塑性或者断裂而松弛的情况。但是在二维材料中，塑性和断裂被极大的延迟，同时也允许更大的动态范围来进行弹性应变。

此外材料的电控磁性能是下一代磁性和自旋电子应用的发展方向。未来的电子器件都非常需要电控磁性能，包括自旋极化、磁矩和磁晶各向异性。故，利用电场对磁性能进行调控是一个关键的挑战。就单层CrI₃在垂直电场作用下的巨大结构响应，表明了部分二维磁性材料的磁性能是可以通过电场进行控制的。

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