《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Theoretical prediction of half-metallic ferromagnetism in transition metal doping GaSe monolayers: a platform for spintronic applications
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本研究通过引入点缺陷和过渡金属掺杂调控GaSe单层电子结构，发现点缺陷产生1μB磁矩，Fe、Mo、Ru、Hf掺杂分别产生5、3、1、1μB磁矩，保持100%自旋极化半金属特性，能带分析表明TM-d与Se-p杂化形成平坦带，4d/5d掺杂系统在自旋过滤和传输稳定性方面优于3d系统。
Mou Junyu | Liang Yongchao | Ye Li | Li Wenqiang | Zhu Yijun | Zhang Haozheng | Wang Yonghao
贵州大学大数据与信息工程学院先进光电材料与技术研究所，贵阳 550025，中国
摘要
尽管GaSe单层是一种有前景的半导体，但其非磁性特性限制了其在自旋电子器件中的应用。本研究系统地探讨了两种调节其性能的策略：在特定的Ga位点引入点缺陷，并使用过渡金属（TM）进行单原子掺杂。首先，在GaSe体系中引入一个Ga空位成功诱导出了1.00 μB的局部磁矩。这种磁性主要来源于缺陷附近Se原子的自旋极化。同时，该体系表现出100%自旋极化的铁磁半金属性。随后，我们用四种TM原子（Fe、Ru、Hf和Mo）替换了Ga位点。负的形成能和从头算分子动力学（AIMD）模拟证实了所有掺杂配置的优异结构和热稳定性。掺杂后，Fe、Mo、Ru和Hf的磁矩分别为5 μB、3.00 μB、1.00 μB和1 μB。所有这些体系都保持了100%自旋极化的铁磁半金属性。能带结构分析揭示了TM-d轨道与基底Se-p轨道杂化所诱导的平带物理现象。通过掺杂不同的过渡金属元素，可以有效调节平带宽度。此外，基于非平衡格林函数（NEGF）形式的量子输运模拟表明，4d/5d掺杂体系表现出更强的自旋过滤效率和输运稳定性。这有效克服了3d体系通常存在的强局域化问题。这些发现为利用二维（2D）半导体平带工程开发高性能自旋过滤器提供了重要的理论基础。
引言
电子设备的持续微型化正在将基于硅的晶体管推向其物理极限，预示着摩尔定律即将达到一个平台期[1]。自旋电子学利用与电子自旋[2]和动量[4]相关的自由度，提供了一种变革性的替代方案，具有更高的运行速度和更低的功耗潜力。然而，实现实用的自旋电子器件仍依赖于发现不仅在原子尺度上具有高自旋极化，还具有强磁稳定性和高效输运通道的2D材料[6]。
近年来，2D材料中平带的调制和自旋极化输运已成为凝聚态物理和自旋电子学的前沿课题。在基于石墨烯的体系中，平带的产生、检测及其自旋相关性质方面取得了显著进展。例如，通过调节双层石墨烯的扭转角度，可以在“魔角”附近实现非定域的莫尔平带，伴随着相关的绝缘态和非传统的超导性[7]、[8]、[9]。此外，自旋泵浦已被证明是探测此类平带的有效方法；具体来说，铁磁共振实验中的吉尔伯特阻尼变化能够敏感地反映平带的出现和精确的魔角位置[10]。在单层石墨烯中，通过共价功能化或用稀土元素（如铕）掺杂，可以诱导出具有自发自旋极化的平带[11]、[12]。这些平带不仅来源于对称性破缺和电荷转移，还允许通过电极接触条件精细调节自旋极化和输运行为，为设计高性能自旋过滤器件提供了创新途径。
因此，通过精细的能带工程，这种平带形成可以扩展到更广泛的2D材料类别[13]、[14]、[15]、[16]。在各种2D候选材料中，单层硒化镓（GaSe）因其成熟的合成方法[17]、[18]、[19]和独特的电子结构而成为一个特别有吸引力的平台。与典型的过渡金属硫属化合物（TMDs）不同，单层GaSe的价带最大值（VBM）表现出显著的平坦色散特性[20]。这种内在的准平带“基因”表明在掺杂后产生相关平带的潜力很大[21]。然而，传统的掺杂策略（如用过渡金属或主族元素进行替代掺杂）主要集中在带隙工程、磁性的诱导或光催化性能的优化上[22]。例如，Ke等人展示了通过垂直电场实现带隙转变和自旋纹理调制[23]，而Fadlallah等人系统研究了各种掺杂剂对磁矩和能带结构的影响[24]，但平带的根本物理性质及其对自旋输运的影响仍大多未被探索。
受基于石墨烯体系的平带调制和自旋输运研究的启发，本研究调查了单层GaSe中掺杂诱导的平带及其随后的自旋极化输运性质。具体来说，我们重点关注了各种掺杂剂对GaSe能带结构的调节效应，详细分析了这些平带的形成机制、自旋极化特性及其背后的物理原理。利用NEGF形式，我们进一步评估了自旋依赖的输运系数，以评估这些体系在下一代自旋电子器件中的应用潜力。我们的发现为基于GaSe工程化平带的高性能自旋输运组件的设计提供了坚实的理论基础和创新的设计策略。
计算细节
我们采用维也纳从头算模拟包（VASP）代码中的投影增强波（PAW）方法在DFT框架内进行了自旋极化计算[25]、[26]。电子交换-相关势采用Perdew-Burke-Ernzerhof（GGA-PBE）公式进行处理[27]。为了截断平面波展开，使用了500 eV的截止能量。结构松弛采用共轭梯度方法。
原始GaSe单层：结构和电子性质
原始GaSe单层的原子结构如图1（a）所示，采用了3 × 3 × 1的超胞模型和P-3 m1对称性。值得注意的是，与上层Ga原子键合的三个Se原子和与下层Ga原子键合的三个Se原子并不对称；它们相对于Ga
Ga键轴旋转了60°。结构优化得到原始GaSe单层的以下参数：面内晶格常数a = b = 11.506 ?，键长...
结论
总结来说，基于DFT，我们系统地研究了过渡金属（Fe、Mo、Ru、Hf）替代掺杂和点缺陷对GaSe单层结构稳定性、电子结构和磁性质的影响。300 K下的负形成能和从头算分子动力学模拟共同证实了所有掺杂体系的优异结构和热稳定性。引入的局部磁矩分别为5.00 μB（Fe）、3.00 μB（Mo）、1.00 μB...
CRediT作者贡献声明
Mou Junyu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Liang Yongchao：撰写 – 审稿与编辑，可视化。Ye Li：资源提供。Li Wenqiang：资源提供。Zhu Yijun：资源提供。Zhang Haozheng：资源提供。Wang Yonghao：资源提供。
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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12464026、11964005）、贵阳市科技计划项目（项目编号：[2024]2-20）和贵州省教育厅青年科技精英人才项目（项目编号：[2024]320）的支持。
