应变对Cr掺杂拓扑绝缘体Bi₂Se₃块材磁性的影响研究

【作者】 陈娟； 杨应萍； 齐世飞； 许小红；

【机构】 山西师范大学化学与材料科学学院；

【摘要】 拓扑绝缘体具有螺旋形的狄拉克表面态,能够在没有任何热耗散的情况下输运自旋电流,因此在自旋电子学领域引起了极大的关注。特别是,最近研究较热的量子现象,量子反常霍尔效应。解决电脑发热,能量耗散等一系列难题会成为未来计算机和信息领域前所未有的重大成就。理论预言,在三维强拓扑绝缘体薄膜中掺杂3d过渡金属元素,能够实现长程铁磁序,并且在原Dirac点处打开带隙,而具有纯相和在布里渊区单个的狄拉克点的Bi₂Se₃（约0.3 eV最大带隙）被公认的在自旋电子应用方面最具有科研价值和应用潜力的拓扑材料,理论计算报道Cr掺杂的Bi₂Se₃体系能够实现铁磁性和绝缘态,不会引入载流子。类似传统的稀磁半导体,而且在超薄等极限的条件下,可能实现量子反常霍尔效应。随后,Haazen P.P.J.等人就在实验上实现了Cr掺杂浓度为5.2%时,居里温度为20 K。2013年薛其坤组就在Cr磁性掺杂的拓扑绝缘体（Bi,Sb）₂Te₃薄膜上首次从实验上观测到了量子反常霍尔效应[31]。由于实验观测温度低,仍然不能运用到实际生活中,所以这就需要我们去寻求一种有效的途径增强体系的磁性和带隙。本文利用第一性原理计算分析应变对Cr掺杂的拓扑绝缘体Bi₂Se₃块体材料磁性的影响。分别对四种不同的掺杂构型（同QL层OA,OB;异QL层OC,OD）施加面内或者面外的压缩应变和拉伸应变,讨论了两个Cr原子之间的铁磁稳定能和磁矩随应变的变化趋势。研究发现,对于Cr掺杂的拓扑绝缘体Bi₂Se₃块体材料,与面外的应变效应相比,磁性受到面内应变效应的影响更大。四种掺杂位置对比,研究应变效应最佳的掺杂位置是OA构型即同QL层内的面内掺杂,此时施加面内应变作用能增强体系的磁性。更多还原