陈旭凡 杨强 胡小会2)†

1) (南京工业大学材料科学与工程学院，南京 211816)

2) (南京工业大学，江苏省先进无机功能复合材料协同创新中心，南京 211816)

近年来，二维铁磁材料由于其在自旋电子学领域中十分广阔的应用前景受到广泛关注.单层CrBr3 是具有本征铁磁性的半导体，是自旋电子器件的潜在候选材料.然而，单层CrBr3 的居里温度较低，限制了其在自旋电子器件领域的应用.本文基于密度泛函理论，研究了3d 过渡金属(TM)原子 (Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu 和Zn)掺杂单层CrBr3 的磁学和电学性能.计算结果表明，TM 原子掺杂后，体系总磁矩呈现先增加再减小的趋势.并且TM 原子掺杂能够显著提高单层CrBr3 的居里温度(TC)，实现了铁磁稳定性的增强.其中，Sc 掺杂CrBr3 体系的TC 与本征CrBr3 相比提高了159%.铁磁稳定性的增强归因于掺杂体系 (TM-CrBr3) 中直接交换和超交换相互作用之间的竞争.此外，依赖于不同的TM 原子掺杂，TM-CrBr3 体系表现出半金属性和自旋零带隙半导体性质.本文的研究结果为单层CrBr3 在纳米电子和自旋电子器件中的应用开辟了新的前景.

1 引言

近年来，二维材料因其独特的性质，在电子器件等领域具有巨大的应用潜力[1-12].然而，诸如石墨烯、氮化硼和过渡金属硫族化合物等二维材料大多是非磁性的，阻碍了其在自旋电子器件中的应用.因此，大量的工作致力于在非磁性的二维材料中引入磁性，其中常见的方法有掺杂[13-15]、缺陷工程[16，17]、应变工程[18，19]和构建异质结[20].尽管可以通过各种调控手段在非磁性的二维材料中引入磁性，但……