具有耦合磁、压电和谷电子特性的多功能Janus反铁磁Ti2OBrI单层材料

《Physica B: Condensed Matter》：Multifunctional Janus altermagnet Ti2OBrI monolayer with coupled magnetic, piezoelectric, and valleytronic properties

本研究基于第一性原理计算，提出二维交替磁半导体单层Janus Ti?OBrI，具有显著自旋分裂（1.18 eV）和对称相关的Dirac valleys。单轴应变可破坏对称性，诱导valley极化与反转，产生应变驱动压电valley效应；有限空穴掺杂通过压磁耦合机制产生净磁化。该材料为统一磁学、压电性和valley物理的器件设计提供原型。

　　

Bing Li|Busheng Wang|Qiuyue Ma|Yong Liu

中国秦皇岛燕山大学理学院，河北省亚稳态材料科学技术国家重点实验室与微结构材料物理重点实验室，邮编066004

摘要

作为第三种已确认的共线磁体形式，替代磁性材料由于其反铁磁耦合和非相对论性能带自旋分裂而展现出新颖的物理性质，为多功能自旋电子学和谷电子学器件的开发提供了途径。由于严格的对称性约束，关于二维替代磁性材料的研究相对较少。在本研究中，基于第一性原理计算，我们提出了一种二维（2D）替代磁性半导体——Janus Ti₂OBrI单层材料，该材料具有垂直于平面的磁各向异性和高奈尔温度。该体系在时间反演不变的$\backslash mathbf\{X\}$和\mathbf{Y}点处表现出较大的自旋分裂（1.18 eV）以及一对狄拉克型能谷，这些能谷由晶体对称性而非时间反演对称性连接。通过单轴应变打破这种对称性可以诱导能谷极化和反转，从而产生应变驱动的压电能谷效应。此外，适度的空穴掺杂通过压磁耦合机制产生净磁化。这些发现表明Ti₂OBrI是一种原型二维替代磁性材料，能够在单一单层晶体中统一磁性、压电性和谷电子学特性。

引言

替代磁性最近被确立为第三类磁序，与铁磁性（FM）和传统反铁磁性（AFM）不同。从能带结构的角度来看，替代磁性材料打破了时间反演对称性，并且尽管净磁化为零，但仍存在明显的非相对论性自旋分裂[1]、[2]、[3]、[4]。与传统AFM不同，替代磁性材料中的自旋相反的子晶格是通过实空间旋转操作连接的。这种非传统的自旋-晶格对称性导致了一系列显著的电子响应，包括纯自旋电流[5]、[6]、[7]、巨隧穿磁阻[8]、[9]以及异常的热传输和自旋传输现象，如自旋塞贝克效应和纳恩斯特效应[10]、[11]、[12]、[13]，这使得替代磁性材料成为探索下一代自旋依赖功能的有希望的平台。

除了自旋自由度外，晶体固体中的电子还具有能谷指数，这与布里渊区中对称相关点处的能量极值相关。对这一指数的控制是谷电子学的基础，谷电子学被提出作为一种实现快速和高效器件概念的替代信息载体[14]、[15]、[16]。此类应用的一个核心要求是产生能谷极化，即非等效能谷之间的载流子占据不平衡[17]。人们对能谷极化状态的兴趣持续增长，因为它们为数据编码和信号处理提供了超越传统基于电荷的电子学的新途径[18]、[19]、[20]、[21]。随着器件尺寸接近物理极限，功率耗散和热管理成为关键问题。利用离散的能带极值而非仅依靠电荷或自旋的能谷依赖传输为缓解这些瓶颈提供了有希望的途径。然而，在二维材料中实现稳健且可外部调节的能谷极化仍然具有挑战性，因为对称性约束通常会导致能谷简并。

在非磁性二维半导体（如单层过渡金属硫属化合物（TMDs）中，时间反演对称性导致\mathbf{K}'能谷的简并。因此，只能通过外部扰动（例如使用圆偏振光选择性地填充特定能谷[22]、[23]）来实现能谷极化。在磁性系统中，这种简并可以通过自旋-轨道耦合或交换相互作用内在地消除。典型的例子包括在单层VSe₂中报告的自发能谷极化[24]，以及在几种反铁磁耦合双层卤化物中观察到的铁谷特性[25]。机械变形[17]、[26]和栅电场[27]也被证明是操纵能谷对比度的可行方法。我们最近对Janus V₂AsBrO单层材料的研究进一步表明，能谷极化可以与工程化二维材料中的其他破缺对称性特性共存[28]。然而，同时具有替代磁性自旋分裂和能谷功能的二维替代磁性材料仍然非常罕见。它们的有限可用性严重限制了向实用谷电子学或多功能器件概念的进展。此外，许多已知的替代磁性单层材料仍保持空间反演对称性，这禁止了压电性的产生。因此，识别结合能谷、磁性和压电响应的二维替代磁性材料是扩展下一代自旋和谷活性材料设计空间的重要步骤。

在本研究中，我们利用第一性原理计算预测了一种新型的二维替代磁性半导体——Janus Ti₂OBrI单层材料。该结构表现出明显的垂直于平面的磁各向异性，其奈尔温度估计为340 K。Ti₂OBrI单层材料在其电子能带结构中具有较大的自旋分裂和两个与对称性相关的简并能谷。通过单轴应变打破晶格对称性可以诱导能谷极化和反转，从而产生应变驱动的压电能谷效应。此外，有限量的空穴掺杂通过压磁耦合机制产生净磁化。计算得到的垂直于平面的压电系数达到0.32 pm/V，与许多报道的Janus二维材料相当或更高。这些结果表明Ti₂OBrI是实现下一代自旋电子学和纳米电子器件中磁性、压电性和能谷物理耦合的有希望的原型。

方法

所有第一性原理计算均在密度泛函理论（DFT）框架内进行。Ti₂OBrI单层的电子和磁性质是使用VASP软件包[31]、[32]、[33]中实现的投影增强波（PAW）公式[29]、[30]来评估的。交换-相关相互作用采用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）公式[34]中的广义梯度近似进行处理。

结果与讨论

我们首先分析了Janus Ti₂OBrI单层的原子构型。如图1(a)和(b)所示，Janus结构源于Ti–O框架两侧的Br和I原子的不对称修饰。这种组成不对称性打破了垂直于平面的反演对称性，形成了属于四方\mathbb{P4m空间群（编号99）的单个极性层。在优化后的结构中，每个Ti原子由位于...的两个O原子八面体配位。

结论

在本研究中，我们通过第一性原理计算系统地研究了二维Janus Ti₂OBrI单层的结构、电子、磁性和机电性质。这种属于\mathbb{P4m空间群的单层材料表现出优异的动力学稳定性、热稳定性和机械稳定性。它是一种带隙为1.18 eV的反铁磁基态半导体，伴随着自旋分裂的电子能带，使其成为一种代表性的替代磁性材料。

CRediT作者贡献声明

Bing Li：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理、概念化。Busheng Wang：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、资金获取、形式分析。Qiuyue Ma：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。Yong Liu：撰写——审稿与编辑、监督、软件、项目管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12504025）和河北省自然科学基金（项目编号：A2025203011）的支持。它还得到了法国政府“Investissements d’Avenir”计划的支持，作为France 2030倡议的一部分（EUR INTREE，ANR-18-EURE-0010）。数值计算在燕山大学的高性能计算中心完成。