過渡金屬摻雜的扶手椅型氮化硼納米帶的磁電子學特性及力-磁耦合效應?

劉娟 胡銳 范志強 張振華

(長沙理工大學物理與電子科學學院,長沙 410114)

過渡金屬摻雜的扶手椅型氮化硼納米帶的磁電子學特性及力-磁耦合效應?

劉娟 胡銳 范志強 張振華?

(長沙理工大學物理與電子科學學院,長沙 410114)

氮化硼納米帶,過渡金屬修飾,磁電子學特性,力-磁耦合效應

1 引 言

在過去的十幾年里,由于優良的電磁、機械及化學特性,石墨烯及其衍生的納米結構,特別是石墨烯納米帶(GNRs)一直是材料學科及凝聚態物理重要的研究課題[1?8].近幾年來,類石墨烯結構,如氮硼(BN)單層及相關衍生結構也被廣泛研究[9?11].與零帶隙石墨烯不同的是,電測量和紫外可見吸收光譜實驗發現BN單層是寬帶隙的半導體[12?14].相關的BN納米帶(BNNRs)可以沿著單層六方氮硼(h-BN)某個晶體取向切割來獲得[15,16],其邊緣原子結構與石墨烯納米帶(GNR)十分類似.

氫(H)飽和GNRs是非磁性或反鐵磁半導體,取決于邊緣的幾何形狀[17?19].即對于H-GNRs,在基態時兩相對的鋸齒型邊是反鐵磁性的,而扶手椅型邊總是非磁性的.然而,BNNRs不同,不論其邊緣形狀和寬度如何,H全飽和時都是無磁半導體.且隨著寬度的增加,扶手椅型BNNR(ABNNR)的帶隙振蕩變化,當寬度大于3 nm,它們收斂到約0.02 eV的恒定值.然而,鋸齒型BNNR的帶隙隨著寬度的增加單調減小,最后減小到約0.7 eV的帶隙[20].由于B—N鍵的離子性較大,BNNRs具有與GNRs不同的性質,這表明BNNRs在納米級電子器件中有著獨特的潛在應用.為了滿足納米器件對電子結構的不同要求,BNNRs的電子結構調控工作也在廣泛探索中,且研究表明,化學修飾和應力是改變納米帶的電子和磁性質的兩種最重要的方法[21?23].例如,BNNRs的電子結構可以通過碳原子摻雜并施加應力而實現半金屬和自旋無帶隙半導體[24].此外,第一性原理密度泛函理論的計算證明鋸齒型BNNRs(ZBNNRs)的帶隙可以在單軸拉伸作用下得到顯著的調節[25].雖然裸邊ABNNRs無磁性,但研究發現全裸ZBNNRs或用H飽和B邊而另一個邊(N邊)是裸邊的ZBNNRs在基態是半金屬[26].Wang等[27]用第一性原理的方法研究Fe邊緣吸附ABNNRs.他們發現Fe-ABNNRs是反鐵磁的金屬;半金屬性出現在一個邊緣由Fe原子吸附、另一個邊緣由H原子吸附的ABNNRs中.同時,他們還研究了其他過渡金屬邊緣吸附的ABNNRs,其表現出不同的半導體以及半金屬等磁性特點,這取決于過渡金屬的類型.Luo等[28]研究了由扶手二聚Fe鏈磁吸附和連接的ZBNNRs的磁電子特性.結果表明,不論帶寬如何變化,用Fe連接ZBNNRs均會出現半金屬性,而且在室溫下是穩定的.最近,Luo等[29]研究發現電子或空穴摻雜可使雙極性磁性半導體的單層VS2表現為半金屬性.Si等[30]研究發現Cr的d層電子會導致單層的Cr2C出現2.85 eV帶隙的本征半金屬.

本文主要研究了過渡金屬(TM)摻雜扶手椅型BN納米帶(ABNNR-TM)的磁電子學特性及力-磁耦合效應.結果表明:ABNNR-TM的能量及熱穩定性是較高的,不同的TM摻雜,ABNNRs能表現出豐富的磁電子學特性,可以是雙極化磁性半導體、一般磁性半導體、無磁半導體或無磁金屬(NMM),特別是這里的雙極化磁性半導體是一種重要的稀磁半導體材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的應用.此外,力-磁偶合效應研究表明ABNNR-TM的磁電子學特性對應力作用十分敏感,能實現無磁金屬、無磁半導體、磁金屬、磁半導體、雙極化磁性半導體、半金屬等之間的相變.

2 模型與方法

本文研究的結構模型如圖1所示.按照慣例,ABNNRs的寬度用二聚型(dimer)BN原子鏈排數W表示,這里取寬度W=7的ABNNR,它的一個邊緣用H飽和,另一個邊緣的N和B原子之間橋接一過渡金屬原子(TM),從而在此邊緣上形成一TM鏈,再在其附近拼接另一個寬度W=7的類似ABNNR,此時,TM鏈相對這個ABNNR也是TM原子橋接在B和N原子之間.從整體來講,就形成了一個在較寬的ABNNR中線實現TM摻雜的特殊結構.此模型也可以看作是先把上面的全裸納米帶左右翻轉形成下面的ABNNR,再通過在B和N原子之間橋接的TM原子將上下兩個ABNNRs拼接起來,同時整體納米帶上下邊用H飽和.這種處理方式,主要是考慮到TM原子與周圍B原子和N原子的相互作用以及鍵長等的影響.計算表明:這種拼接方式比利用完全對稱的兩個ABNNRs拼接,其結構變形更小,且具有更低的結合能.所以在此只研究該類型雜化帶模型.圖1(a)和圖1(b)所示為用四種典型過渡金屬Cu,V,Sc及Co摻雜的情況,形成的ABNNR-TM雜化帶分別表示為ABNNR-Cu,ABNNR-V,ABNNR-Sc和ABNNRCo.圖中的藍色、粉色、橙色、灰色、白色和玫紅色球分別代表B,N,Cu,V,Sc和Co原子.黑色虛線框表示沿著ABNNR的長度方向的周期性結構單元,即最小可重復單位——單胞.顯然,我們研究的摻雜相當于在一個單胞中摻一個TM原子.優化后,ABNNR-Cu和ABNNR-Sc所有的原子仍在一個平面上,而ABNNR-V和ABNNR-Co模型中的TM原子稍微偏離納米帶平面.

圖1 (網刊彩色)四種典型的TM摻雜的ABNNRs原子結構圖,黑色虛線點框代表一個單胞 (a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-CoFig.1.(color online)Typical transition metal-jointed ABNNRs,the black dotted box represents a unit cell:(a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-Co.

采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法,對幾何優化及磁電子學特性進行計算,并在Atomistix ToolKit(ATK)[31?35]軟件包中實現.為解Kohn-Sham方程,選用自旋極化的Perdew-Burke-Ernzerhof形式的廣義梯度近似來描述電子之間相互作用的電子交換-關聯作用.電子的本征波函數則采用原子軌道的線性組合,考慮到原子的電極化效應,所有原子選雙ζ加極化(DZP)為基函數組,原子實則采用Troullier-Martins模守恒贗勢.在第一布里淵區x,y和z方向采用1×1×100的k點抽樣,其中z為納米帶長度方向.能量截斷半徑(mesh cut-off)的取值為250 Ry.在整個計算過程中,除納米帶長度方向外,其他兩個方向選取1.5 nm的真空胞(vacuum cell).所有的計算都是在幾何形狀優化后執行,直到每個原子上的所有殘余力都小于0.01 eV/?.為了簡單起見,系統的費米能級設置為零.

3 計算結果與分析

3.1 結構穩定性

為了評估TM摻雜的納米帶的能量相對穩定,計算了其結合能,定義為Eb= (EABNNR-TM?nTMETM?nNEN?nBEB?nHEH)/(nTM+nC+nB+nH),其中EABNNR-TM,ETM,EN,EB和EH分別表示一個單胞的總能量、一個孤立TM原子、N原子、B原子和H原子的能量;nTM,nN,nB和nH分別是一個單胞中TM原子、N原子、B原子和H原子的數目.根據結合能定義,負的結合能意味著穩定的結構.表1列出了除Cu,V,Sc和Co摻雜納米帶的結合能外,還列出了Ni,Zn,Cr,Fe,Mn,Mo,Ti摻雜的情況.顯然,所有這些ABNNR-TM的結合能均為負值,表明它們的結構是穩定的.ABNNR-TM中所有過渡金屬原子與其鄰近原子的鍵長參數也列于表1中.從表1可以看出,TM原子和相鄰的B(N)原子的dTM-B(N)之間的鍵長依賴于TM類型,反映了不同TM原子和ABNNR之間明顯不同的相互作用.在同一結構中dTM-B總是大于dTM-N,表明在TM原子和N原子之間發生更強的耦合作用.特別是,TM原子和相鄰的B(N)原子的dTM-B(N)之間的鍵長與納米帶的結合能有一定的對應關系,即長(短)鍵對應較高(低)的結合能.例如,對于Cu,V,Sc和Co原子摻雜的四種納米帶,最大的dTM-B和dTM-N全部出現在ABNNR-Sc模型中,這表明Sc原子對ABNNR的結合強度是最弱的,這與計算的結合能是一個最高值相一致.而最小的dTM-B和dTM-N分別出現在ZBNNR-Co和ZBNNR-Ni中,與其較低的結合能直接相關.

表1 ABNNR-TM在FM的結構參數及磁電子特性.Eb為結合能;dTM-B和dTM-N是TM原子連接的B原子和N原子的鍵長;ΔQTM表示一個TM原子與N原子和B原子的電荷轉移,其中“?”表示TM原子失去電子;M表示磁距;μ為孤立TM原子的磁矩;Type表示ABNNR-TM在FM態下的能帶特點;BMSC,MSC,NMSC及NMM分別表示雙極化磁性半導體、磁性半導體、無磁半導體及無磁金屬Table 1.Structural parameters and magneto-electronic properties of ABNNR-TM in the FM state.Eb represents the binding energy.dTM-B(dTM-N)is the bond length between the TM and B(N)atoms.ΔQTMdenotes the charge transfer from one TM atom to N and B atoms,where“?”sign means that the transition metal atom loses electrons.M represents the magnetic moment.Type indicates the energy band feature,BMSC,MSC,NMSC,and NMM represent the bipolar magnetic semiconductor,magnetic semiconductor,nonmagnetic semiconductor,and nonmagnetic metal,respectively.

圖2 (網刊彩色)BOMD模擬以檢驗ABNNR-TM的熱穩定性Fig.2.(color online)BOMD simulations for examining thermal stability of the ABNNR-TM.

為了檢驗摻雜納米帶的熱穩定性,進行Born-Oppenheimer分子動力學(BOMD)模擬.計算結果表明:在室溫(300 K)持續6 ps的模擬,納米帶的幾何結構幾乎不變,增加溫度到400或450 K,并持續4或3 ps模擬,除ABNNR-Ni外,其他納米帶都只有小的變形,但沒有邊緣重建發生.這表明ABNNR-TM的熱穩定性較高(見圖2).

3.2 磁電子學特性

為了研究在FM態下模型的磁序及磁分布,以Cu,V,Sc和Co原子摻雜的四種納米帶為例.計算收斂后的自旋極化電荷密度(?ρ=ρα?ρβ)等值面圖如圖3(a)—(d)所示,其中ρα和ρβ分別表示α自旋和β自旋的電荷密度,等值面取為0.005|e|/?3,由此可以看出磁矩的空間分布.ABNNR-Sc無任何磁性,但ABNNR-Cu,ABNNR-V,ABNNR-Co有明顯的磁性,但磁矩的分布不同.ABNNR-Cu的局域磁矩主要分布在與TM原子連接的B原子上,很少分布在TM原子上.ABNNR-V和ABNNRCo的局域磁矩主要分布在TM原子上,很少分布在與TM連接的B和N原子上的.計算了摻雜ABNNRs的每單胞磁矩M,列于表1,與孤立TM原子磁矩μ相比,這些磁矩均有較大變化.怎樣去解釋這些結果呢?孤立Cu原子的3d電子軌道是填滿的,故自旋磁矩為0,當摻入ABNNR后,Cu原子失去電子0.604e(見表1中ΔQTM欄),但α自旋和β自旋的相對電子數目只有微弱改變,所以Cu原子出現很小的自旋磁矩,而Cu原子失去的電子進入附近的B原子,使其電子自旋重排,導致大的局部磁矩.孤立Sc原子的3d電子自旋磁矩為1μB,當摻入ABNNR后,失去電子1.016e,導致失去磁性.同時附近的B,N原子的α自旋和β自旋的電子數目相當,從而使ABNNR-Sc無磁性.孤立V及Co原子的3d電子自旋磁矩均為3μB,當摻入ABNNR后,均失去電子,一般來說,電子轉移,無論失去電子或獲得電子,都會明確地弱化具有初始自旋磁性的原子的自旋磁性[36,37],因為電子轉移導致載流子的磁交換相互作用的變化,從而使電子自旋重排[38].同時,計算了其他TM原子(Ni,Zn,Cr,Fe,Mn,Mo,Ti)摻雜時的電荷轉移ΔQTM及每單胞磁矩M,發現也是TM原子失去電子,且相對孤立TM原子磁矩μ明顯變小.其解釋同上述.

圖3 (網刊彩色)自旋極化電荷密度等值面圖,等值面取為0.005|e|/?3. (a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-CoFig.3. (color online)Isosurface plots for the spin polarized density. The isosurface value is 0.005|e|/?3:(a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-Co.

圖4為未摻雜ABNNR,以及ABNNR-Cu,ABNNR-V,ABNNR-Sc和ABNNR-Co在FM態下的能帶結構(BS)、總態密度(DOS)和投影態密度(PDOS).此處的投影態密度為總態密度投影到TM原子上,以呈現TM原子對ABNNR-TM總態密度的貢獻.顯然,H飽和的未摻雜ABNNR是無磁寬帶隙半導體,它的帶隙可達到4.45 eV.ABNNR-Cu,ABNNR-V和ABNNR-Co在費米能級上存在帶隙,而且靠近費米能級的子帶分別是上旋(α)和下旋(β)態,所以它們為雙極化磁性半導體(bipolar magnetic semiconductor,BMSC).但從TM原子的PDOS看,TM原子對自旋極化的總DOS的貢獻是不同的,Cu原子呈現非常小的貢獻,這是因為Cu原子沒有磁性,如圖3(a)所示,它僅僅是轉移電荷到鄰近的B原子,而產生局部磁矩.V和Co則不同,從PDOS可以看出,費米能級附近的DOS很大一部分來源于這些原子,表明它們對自旋極化的總DOS有很大的貢獻,顯然與如圖3(b)和圖3(d)所示相一致.而對于ABNNR-Sc,所有能帶是自旋簡并的,且有子能帶接觸到費米能級,所以此納米帶為無磁金屬(NMM).計算Ni,Zn,Cr,Fe,Mn,Mo及Ti摻雜時能帶結構,發現它們可以是無磁半導體(NMSC)或磁性半導體(MSC).總之,TM摻雜相比于未摻雜,ABNNRs能表現出豐富的磁電子學特性,可以是BMSC,MSC,NMSC或NMM.

值得指出的是,通過摻雜獲得的雙極化磁性半導體是一種很重要的稀磁半導體材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的應用[39].此外,根據Mermin-Wagner定理,在1維或2維體系中,長程有序磁性會受到熱擾動的強烈抑制.然而,這些熱擾動可通過磁各向異性進行抵消.最近的實驗研究表明[40]:當施加非常小的磁場時,能導致很大的各向異性能,從而實現對轉變溫度(鐵磁和順磁狀態間發生轉變時的溫度)的調控.所以上述研究的FM態,從實驗的角度來看,可以通過施加單方向與納米帶平面垂直的外磁場來穩定磁性.

圖4 (網刊彩色)ABNNR和ABNNR-TM在FM態時的BS,DOS以及TM原子投影PDOS (a)ABNNR;(b)ABNNR-Cu;(c)ABNNR-V;(d)ABNNR-Sc;(e)ABNNR-CoFig.4.(color online)The band structure(BS),density of the state(DOS),and projected density of the state(PDOS)for ABNNR and ABNNR-TM in the FM state:(a)ABNNR;(b)ABNNR-Cu;(c)ABNNR-V;(d)ABNNR-Sc;(e)ABNNR-Co.

3.3 力-磁耦合效應

仍以ABNNR-Cu,ABNNR-V,ABNNR-Sc和ABNNR-Co為例,研究鐵磁態下的ABNNR-TM的力-磁耦合效應.應力方向設置為納米帶扶手椅型方向,施加應變后,扶手椅方向晶格常數發生改變,同時在鋸齒型方向進行相應原子弛豫.應變定義為ε=(L?L0)/L0×100%,其中L和L0分別為ABNNR-TM在長度方向上一個單胞形變后和未形變情況下的長度,拉伸或壓縮分別對應于ε的正值或負值.圖5所示為4種ABNNR-TM的能帶隨應力的變化,其中α和β分別表示電子上旋和下旋分量.對于ABNNR-Cu,如圖5(a)所示,它在無應力時為雙極化磁性半導體,但當拉伸到10%時,β自旋的子能帶穿過了費米能級,表現為金屬性,而α自旋的子能帶仍然為半導體,使得模型出現了半金屬性(half-metal),其帶隙為1.39 eV.類似的情況還出現在當模型被壓縮到10%時,α能帶穿過了費米能級,而β自旋的子能帶仍然為半導體,同樣出現了半金屬,帶隙為2.21 eV.這是一個非常有趣的特性,即對于ABNNR-Cu無論是拉伸或壓縮都能實現從雙極化磁性半導體到大帶隙半金屬的相變.眾所周知,獲得寬帶隙半金屬一直是磁性材料研究追求的重要目標之一.這是因為當給半金屬系統施加電流時,電流將出現100%自旋極化,這種完美的自旋極化有很多與自旋相關的應用[41,42].同時,寬的帶隙可以避免熱起伏引起的自旋反轉.應力下的ABNNR-Cu,其半金屬帶隙達到約2.0 eV,遠遠大于T=300 K時的kBT,所以它的自旋過濾完全可以在室溫下操作.

圖5 (網刊彩色)FM態ABNNR-TM的力-耦合效應,即納米帶能帶結構隨應力變化情況,其中0%表示沒有形變的情況,“+”,“?”分別表示拉伸和壓縮 (a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-CoFig.5.(color online)Mechano-magnetic coupling effect of ABNNR-TM in the FM state.That is,the variation of their energy band versus the stress,where“+”and “?”indicate,respectively,the stretch and compression stress:(a)ABNNR-Cu;(b)ABNNR-V;(c)ABNNR-Sc;(d)ABNNR-Co.

而對于ABNNR-V,如圖5(b)所示,沒有形變的情況下,表現為雙極化磁性半導體,對其進行拉伸,直到10%均是雙極化磁性半導體(這里只呈現到4%的情況).當對模型壓縮至2%和3%時,均出現了半金屬現象,但帶隙較小,分別為0.05和0.20 eV.然而,并不是所有的雙極化半導體模型通過應力的作用均可以出現半金屬的性質,如圖5(d)所示,ABNNR-Co在應力的作用下,只是造成了能帶的移動,并沒有出現自旋的子能帶穿過費米能級的現象.力-磁耦合僅導致ABNNR-Co或保持雙極化磁性半導體性質(拉伸時),或轉化為磁性半導體(壓縮時).

有趣的是,對于無應力時表現為無磁金屬的ABNNR-Sc,考慮形變后,它的能帶類型的變化最為復雜,如圖5(c)所示.顯然,在大部分情況下(應變為?8%到?2%,6%和8%時),納米帶轉變為無磁半導體.但也可以使α自旋和β自旋能帶發生分離,轉變為磁金屬(應變為4%時),或窄帶隙半金屬(應變為10%),或雙極化磁性半導體(應變為?10%時).即當對模型ABNNR-Sc進行拉伸時,其呈現出從無磁金屬-無磁半導體-磁金屬-無磁半導體-半金屬的變化,當對其進行壓縮時,其呈現出從無磁金屬-無磁半導體-雙極化磁性半導體的變化.此外,我們也研究了其他ABNNR-TM的力-磁耦合效應.例如,雙極化磁性半導體ABNNR-Ti,當被壓縮至10%時,出現了半金屬性,帶隙為0.94 eV;半導體ABNNR-Cr,當對其拉伸至8%時,變為雙極化磁性半導體;而壓縮到1%時,出現了半金屬性,帶隙為0.14 eV;繼續壓縮,半金屬性質消失,表現出雙極化磁性半導體的性質.

上述研究充分說明,ABNNR-TM的能帶結構類型對應力十分敏感,能實現無磁金屬、無磁半導體、磁金屬、磁半導體、雙極化磁性半導體、半金屬等之間的磁相改變,且與TM種類密切相關.這些結果表明:可以通過力學方法來調控ABNNR-TM的磁電子學特性;而磁相的變化與不同應力作用導致的鍵長、鍵角、電荷轉移、磁耦合、波函數空間分布等的改變以及電子自旋重排等復雜的物理過程密切相關[43].此外,值得指出的是,雖然目前實驗摻雜的水平不斷提高,甚至到原子精度,但要達到本文提出的精度仍有較大的難度.所以本文的研究只是理論預測,為實驗研究提供參考.

4 結 論

基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,研究了不同過渡金屬(TM)摻雜扶手椅型氮化硼納米帶(ABNNR-TM)的結構穩定性、磁電子特性及力-磁耦合效應.研究發現:ABNNR-TM的能量及熱穩定性是較高的.對于不同的TM摻雜,ABNNRs能表現出豐富的磁電子學特性,可以是雙極化磁性半導體、一般磁性半導體、無磁半導體或無磁金屬.特別是這里的雙極化磁性半導體是一種重要的稀磁半導體材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的應用.此外,力-磁偶合效應研究表明:ABNNR-TM的磁電子學特性對應力作用十分敏感,能實現無磁金屬、無磁半導體、磁金屬、磁半導體、雙極化磁性半導體、半金屬等之間的相變.特別是呈現的寬帶隙半金屬對于發展自旋電子器件有重要意義.這些結果表明可以通過力學方法來調控ABNNR-TM的磁電子學特性.

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Magneto-electronic properties and mechano-magnetic coupling effects in transition metal-doped armchair boron nitride nanoribbons?

Liu Juan Hu RuiFan Zhi-Qiang Zhang Zhen-Hua?

(School of Physics and Electronic Science,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

25 May 2017;revised manuscript

10 August 2017)

Owing to the novel structure and rich electromagnetic properties,graphene shows very great promise in developing future nano-electronic devices and has thus attracted ever-increasing attention.Its isomorph-single layer,hexagonal boron-nitride(h-BN),in which carbon atoms in graphene are replaced with alternating boron and nitrogen atoms in the sp2lattice structure,has led to a new research boom in condensed matter physics and material science.Although an h-BN layer has a similar structure to graphene,it possesses a number of properties different from its carbon counterpart.In this work,the first-principles method based on density functional theory is used to study the structural stability,magneto-electronic properties and mechano-magnetic coupling effects for an armchair BN nanoribbon doped with different transition metals(ABNNR-TM).The calculated binding energy and molecular dynamic stimulation suggest that these structures are stable.Meanwhile,the calculated results show that ABNNR-TM holds diverse magneto-electronic properties upon different TM doping.For example,they may be nonmagnetic metals,nonmagnetic semiconductors,magnetic metals,magnetic semiconductors,or bipolar magnetic semiconductors.In particular,the bipolar magnetic semiconductor is an important semiconducting material,which has promising applications in the fields of the giant magnetoresistance and the spin rectifying devices.Besides,the investigations on mechano-magnetic coupling effects indicate that magneto-electronic properties of ABNNR-TM are very sensitive to the stress,which can realize the phase transformation between the nonmagnetic metal,nonmagnetic semiconductor,magnetic metal,magnetic semiconductor,bipolar magnetic semiconductors,and half metal.Particularly,the obtained wide-gap half metal is of significance for developing novel spintronic devices.In short,this work demonstrates that it is possible to tune magneto-electronic properties of ABNNR-TM by mechanic method.

BN nanoribbon,transition metal,magneto-electronic properties,mechano-magnetic coupling effect

PACS:85.75.—d,71.15.—m,72.25.—b,73.63.—bDOI:10.7498/aps.66.238501

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61771076,61371065,11674039)and the Hunan Provincial Natural Science Foundation of China(Grant Nos.14JJ2076,2015JJ3002,2015JJ2009,2015JJ2013).

?Corresponding author.E-mail:lgzzhang@sohu.com.

(2017年5月25日收到;2017年8月10日收到修改稿)

基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,研究了多種過渡金屬(TM)摻雜扶手椅型氮化硼納米帶(ABNNR-TM)的結構特點、磁電子特性及力-磁耦合效應.計算的結合能及分子動力學模擬表明ABNNRTM的幾何結構是較穩定的,同時發現對于不同的TM摻雜,ABNNRs能表現出豐富的磁電子學特性,可以是雙極化磁性半導體、一般磁性半導體、無磁半導體或無磁金屬.雙極化磁性半導體是一種重要的稀磁半導體材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的應用.此外,力-磁偶合效應研究表明:ABNNR-TM的磁電子學特性對應力作用十分敏感,能實現無磁金屬、無磁半導體、磁金屬、磁半導體、雙極化磁性半導體、半金屬等之間的相變.特別是呈現的寬帶隙半金屬對于發展自旋電子器件有重要意義.這些結果表明:可以通過力學方法來調控ABNNR-TM的磁電子學特性.

10.7498/aps.66.238501

?國家自然科學基金(批準號:61771076,61371065,11674039)和湖南省自然科學基金(批準號:14JJ2076,2015JJ3002,2015JJ2009,2015JJ2013)資助的課題.

?通信作者.E-mail:lgzzhang@sohu.com.