VASP吸附与催化计算培训：HER、OER/ORR、NRR、CO2RR、表面性质，吸附能、差分电荷密度等
VASP零基础入门培训：晶体与二维材料的结构、弹性、电子、光学、磁性、吸
附、催化性质
VASP计算11大专题课程：晶体、二维材料、催化、电池、钙钛矿、单原子、吸附、半导体、缺陷计算等！
铁磁半导体（FMS）是新一代自旋电子器件的最有潜力的候选者之一。低维材料更是面对日益增进的器件小型化需求的最有效选择。然而，由于稳定性、磁各向同性等因素的限制，二维铁磁材料的合成面临着极大的困难。近日，河南大学王冰副教授课题组对基于4
f
电子的稀土二维铁磁半导体EuSn
2
X
2
(X = P, As) 的磁各向异性展开了系统研究。结果表明该材料具有优异的稳定性（机械、热力和动力学稳定性），并有可能从其范德瓦尔斯层状块体中被剥离出来。此外，其带隙可以在~0.1 eV到~1.4 eV间灵活调控。更令人感兴趣的是，在拉伸应变下，其磁各向异性能（MAE）空间分布可以从易磁面转变成面外的易磁轴类型。结合密度泛函理论与偶极-偶极相互作用机制，作者对引起磁各向异性能转变的内在原因做了进一步探讨。研究成果发表在国际知名期刊《Applied Physics Letters》。
磁各向异性是二维铁磁材料克服热扰动，在有限温度下长程稳定的必要条件。易磁轴的存在是决定实验合成的关键，其中面外的易磁化轴的存在更有助于磁性信息的探测读取、有利于在器件中的应用。MAE可以有效的表现磁各向异性；目前人们对MAE的研究多局限于自旋轨道耦合（SOC）效应，然而，对于大局域磁矩和小SOC-MAE体系，由偶极-偶极相互作用决定的磁形各向异性能（Shape-MAE）往往是不可忽略的。不幸的是，Shape-MAE往往表现出面内的易磁化方向，这很可能是许多理论预测的面外MAE二维铁磁半导体实验上难以合成的原因之一。这督促我们，在二维铁磁材料的磁各向异性的研究中：1. 综合考虑自旋轨道耦合作用和偶极-偶极相互作用对MAE的影响；2. 深入探讨两种相互作用的理论机制，寻找普适的调控手段，设计具有理想MAE的二维铁磁半导体。
稀土铁磁体，特别是Gd、Eu等体系，同时具备强的自旋轨道耦合效应与大的局域磁矩，为研究两种相互作用对MAE影响的提供了优秀的平台。然而，人们对稀土二维体系的理论研究仍然方兴未艾。SOC-MAE是由原子内部自旋轨道耦合的各向异性决定的；而Shape-MAE取决于磁性位点的空间分布和局域磁矩大小。两者相互竞争又相对独立，深入探索两者间的竞争机制，寻找对其有效的调控手段仍然是接下来研究的重点、难点。
图1.（a）剥离能；（b）晶格俯视图和侧视图；（c）声子谱；（d）AIMD模拟。
图2. 铁磁半导体的能带图。符号的相对大小道标轨道的成分贡献。
图3. 基态下两种磁各向异性能的竞争与结果。表现出
x
-
y
易磁化面。
图4. 拉伸应变下磁各向异性能与能带结构的变化。随着拉伸的增大材料的易磁化方向逐渐由面内转向面外
图5. 在双轴应变下，MAE与带隙的负相关变化。MAE的改变主要源自Eu元素自旋轨道耦合效应各向异性的增强。
作者预测了稳定的、易剥离的稀土二维铁磁半导体单层EuSn
2
X
2
（X = P，As）。通过HSE06杂化泛函计算，两种单层均具有大约1.0eV的间接带隙；且带隙大小可灵活调控、带隙类型可在拉伸应变下转变为直接带隙。最吸引人的是，其磁各向异性能与带隙表现出负相关的变化趋势。综合自旋轨道耦合效应与偶极-偶极相互作用对磁各向异性的影响，在保证面内各向同性、面外各向异性的同时，作者实现了对材料易磁化方向从面内转向面外的调控。此外，良好的动力学稳定性、热力学稳定性、机械稳定性和较小的剥离能是这一材料能从层状块体材料中剥离出来的有利保障。
Institute for Computational Materials Science, School of Physics and Electronics, Henan University
Institute for Computational Materials Science, School of Physics and Electronics, Henan University
Yihang Bai, Yaxuan Wu, Chaobin Jia, Lipeng Hou, and Bing Wang, Two-dimensional 4
f
magnetic EuSn
2
X
2
(X = P, As) monolayers: A first-principles study. Applied Physics Letters,
123
, 012401(2023).
https://doi.org/10.1063/5.0152064
