姜正宇 张露 李默蹊 夏霖 陈东科

摘要：二维材料的发现开启了研究二维材料磁性的大门，为实现新功能器件拓宽了思路。基于第一性原理计算方法，本文研究了MSi2N4（M=Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu）体系材料的电子结构和磁特性。结果表明，MSi2N4具有丰富的磁特性，CrSi2N4材料是非磁的半导体材料，而MSi2N4 （M= V，Mn，Fe，Co，Ni，Cu）为普通的磁性金属。MSi2N4（M=Sc，Mn，V）表现出半金属特性，费米能级附近的电子可以实现100%的自旋极化，研究结果为自旋电子器件上的应用提供了理论依据和模型，在自旋电子器件上具有潜在的应用价值。

在二维材料中，热涨落会抑制磁特性。现有的大多数现有的二维纳米结构是非磁性的。但2016年实验上发现具有较强固有磁各向异性的二维的范德瓦尔斯晶体，较大的磁各向异性能克服热扰动的影响，因而二维磁性材料出现长程磁序。二维磁性材料的发现为量子计算、自旋电子学、数据存储和其他存储设备的应用带来了无限的可能性。在这方面，纳米技术中固有二维磁体的进入为纳米器件领域提供了显著的推动。前期发现的二维层状磁性材料，如 CrI3[1]，由于其较好的基本物理性质和器件应用，如高灵活性、光学透明度和巨大的载流子迁移率，为理论和实验研究提供了新的契机。因此，二维磁性纳米材料是集成电路和下一代自旋电子器件的很有前途的候选材料。

受单层MoSi2N4的成功合成的激励[2][3]本文基于第一性原理系统地研究了单层MSi2N4（M=Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu）体系材料的电子结构和磁特性。 发现其中7种材料有很好的磁性，并且在其中发现了MnSi2N4、VSi2N4、ScSi2N4材料具有半金属性质。对于MnSi2N4而言，自旋向下能带存在较大的带隙，从而可以实现100%自旋向上极化。该结果表明MSi2N4（M=Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu）可以应用于新器件的构建，如自旋过滤器、隧道结和用于自旋注入的巨磁电阻器件等等

1计算方法

计算过程采用基于密度泛函的第一性原理计算软件包 Vasp。使用平面波方法（PAW）来描述离子与电子间的相互作用，并且采用广义梯度近似的交换关联函数（PBE）。体系截断能设置为 500eV。为了避免相邻镜像之间的相互作用，在Z轴方向加上了20?的真空分层。在自洽计算过程中，采用G点为中心的Monkhorst-Pack撒点方式将倒空间不可约布里渊区k点设置为15×15×1的网格。迭代过程中的电子能量收敛精度为10-5eV，离子驰豫的收敛标准设为-0.01eV/?。为了确保强关联体系计算的准确性，对于高度局域化的3d电子间的库仑相互作用，采用GGA加hubbardU的方法进行描述。

2结果与分析：

2.1原子结构

MSi2N4（M=Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu）单层材料由七个原子层组成，晶体表现为夹层结构，顺序为N-Si-N-X-N-Si-N，材料结构可以理解为两层Si-N之间夹了一层N-M-N。用优化的晶体结构来研究它们的原子结构，Si-M与N-M的晶格常数以及键长见表1。与二维的MoSi2N4[4]与MoS2相似，该结构打破了反转对称。所有的材料晶格常数都在2.8和2.9左右，优化后Si原子与N原子键长稳定在1.75左右，但是在N原子与过渡元素原子键长差距明显，最大的为Sc原子与N原子的键长，约为2.208。

2.2能带结构

本文研究了九个材料的电子结构和磁特性，其中发现TiSi2N4（图1-h）与CrSi2N4（图1-b）的能带自旋向上与自旋向下能带简并，故这两种材料没有磁性。对于CrSi2N4而言，导带最小值位于K点，而价带最大值位于Γ点。说明其为间接带隙半导体，其带隙为0.48eV。TiSi2N4也是呈现类似的性质，其中费米能级在Γ点处穿过较小部分能带，所以呈现出微弱的金属性质。对于CuSi2N4（图1-c）、CoSi2N4（图1-a）、FeSi2N4（图1-d）、NiSi2N4（图1-f）而言，费米能级同时穿过自旋向下与自旋向上能带，并且自旋向上与自旋向下存在劈裂，所以这些材料都是磁性金属。MnSi2N4（图1-e）费米能级仅穿过自旋向上能带，而且自旋向下能带存在较大的带隙，这说明MnSi2N4是半金属。对于ScSi2N4（图1-g）和VSi2N4（图1-i）也表现半金属特性[5]，费米能级仅穿过了自旋向下能带。半金属体系中电子在传输过程时，仅仅只有一种自旋能透过，另外一种自旋电子由于没有传输通道而被限制，因而可以实现100%的自旋极化。

2.3磁交换相互参数，磁各向异性能

基于海森堡模型，通过构建2*2的超胞，计算铁磁和反铁磁两种磁构型，进一步探究磁基态。从而交换参数可以通过求得。计算发现MnSi2N4单层是铁磁性的，每个锰原子的磁矩为3.483μB。氮原子是反铁磁极化的，磁矩为0.211 μB，因此，每个晶胞都有一个3 μB的净磁矩。与以前研究的其他2D单层相比[6-7]，磁矩是较高的。CoSi2N4和FeSi2N4的磁矩都在1.7左右，其他材料磁矩都在1，并且主要是过渡元素原子贡献的。在所有材料中，MnSi2N4的的交换相互作用最大，为6.3496。其他材料具体磁交换参数见下表。研究发现MSi2N4（M=Co、Mn、Sc、V、Ni）的交换参数是正值，说明這些材料的磁基态为铁磁态，而FeSi2N4和CuSi2N4磁交换参数是负值，其磁基态为反铁磁态。

二维磁性材料与块状磁性材料不同，由于热扰动的影响长程磁有序是很难实现。因此，源于自旋轨道耦合效应的磁各向异性成为二维磁体的一个重要参数。计算发现MnSi2N4的磁各向异性能最大，为0.716meV，指向面外，在热波动稳定性方面表现良好。对于FeSi2N4， ScSi2N4， VSi2N4， 和NiSi2N4而言，磁各向异性能为负值，所以它们的易磁轴指向面内。