近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所計算物理與量子材料研究部研究員鄭小宏課題組在二維二氧化錫（SnO₂）材料研究中取得進(jìn)展。研究人員基于第一性原理計算方法理論預(yù)測SnO₂的二維單層δ相（P-4m2）可以穩(wěn)定存在，并發(fā)現(xiàn)δ相的二維SnO₂材料具有平面內(nèi)負(fù)泊松比特性。此外，通過空穴載流子摻雜，可誘導(dǎo)體系從非磁態(tài)向鐵磁序轉(zhuǎn)變，并實現(xiàn)完全自旋極化的半金屬性。相關(guān)研究成果以Computational Prediction of a Two-dimensional Semiconductor SnO₂ with Negative Poisson's Ratio and Tunable Magnetism by Doping為題，發(fā)表在Physical Review B上。 

　　SnO₂塊體是一種n型寬帶隙的半導(dǎo)體材料，常見的結(jié)構(gòu)為金紅石結(jié)構(gòu)。由于具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、高透光率、低電阻率以及耐酸堿等特點，SnO₂在電極材料、化學(xué)傳感器元件和太陽能電池等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。研究表明，在SnO₂塊體中摻入3d過渡金屬雜質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫鐵磁性。當(dāng)體系引入氧空位時，可以在其薄膜樣品中觀察到鐵磁序，而在塊體樣品中則觀察不到。盡管SnO₂塊體材料在實驗和理論上已被廣泛研究，但是其對應(yīng)的二維單層相的相關(guān)研究仍然較少。進(jìn)一步探究SnO₂二維相是否存在及其摻雜誘導(dǎo)室溫鐵磁性的可能性，對二維半導(dǎo)體領(lǐng)域以及自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。 

　　研究人員基于密度泛函理論計算，發(fā)現(xiàn)δ相的二維SnO₂（δ-SnO₂）能穩(wěn)定存在，且是一種具有平面內(nèi)負(fù)泊松比（ν=-0.11）性質(zhì)的單層材料，而負(fù)泊松比的形成主要由晶格結(jié)構(gòu)對稱性與SnO₄四面體在低維效應(yīng)限制下的協(xié)同作用造成。同時，該單層SnO₂是一種帶隙為3.7 eV的間接帶隙半導(dǎo)體，電子遷移率可高達(dá)10³ cm²V^-1s^-1。SnO₂在費米能級附近的價帶中呈現(xiàn)出雙墨西哥帽狀的能帶特征。研究人員可通過空穴載流子摻雜方式誘導(dǎo)體系發(fā)生鐵磁相變，它在較寬的摻雜濃度范圍內(nèi)能夠表現(xiàn)半金屬性。Stoner機(jī)制可解釋這種磁性相變。此外，通過改變空穴載流子摻雜濃度還可實現(xiàn)二維XY磁體和Ising磁體二者之間的轉(zhuǎn)變，并在適當(dāng)?shù)膿诫s濃度下，其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可高于室溫。研究表明，所預(yù)測的SnO₂相是p型磁性體系的又一重要例子，同時也說明所預(yù)測的SnO₂二維相在納米力學(xué)和低維自旋電子學(xué)方面具有應(yīng)用前景。 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家留學(xué)基金委的資助，相關(guān)計算在中科院超算中心合肥分中心完成。 

　　論文鏈接 

　　圖1.（a）二維單層δ-SnO₂的晶體結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視圖；（b）x方向上的應(yīng)變隨施加在體系y方向上的拉伸應(yīng)變的變化關(guān)系 

　　　　圖2.（a）不同磁構(gòu)型（非磁、鋸齒形反鐵磁以及條紋形反鐵磁）與鐵磁構(gòu)型的磁能量差隨空穴載流子摻雜濃度變化的曲線關(guān)系；（b）體系的磁矩與空穴載流子摻雜濃度的變化關(guān)系 

　　圖3.（a）空穴摻雜的二維δ-SnO₂體系的磁各向異性能和（b）鐵磁轉(zhuǎn)變溫度與空穴載流子摻雜濃度的變化關(guān)系