單層GaSe表面Fe原子吸附體系電子自旋性質(zhì)調(diào)控?

盧奕宏 柯聰明 付明明 吳志明 康俊勇 張純淼 吳雅蘋

(廈門大學(xué)物理系,福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門 361005)

單層GaSe表面Fe原子吸附體系電子自旋性質(zhì)調(diào)控?

盧奕宏 柯聰明 付明明 吳志明 康俊勇 張純淼?吳雅蘋?

(廈門大學(xué)物理系,福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門 361005)

(2017年3月7日收到;2017年6月3日收到修改稿)

III族金屬單硫化物因其優(yōu)越的光電和自旋電子特性而備受關(guān)注,實(shí)現(xiàn)對(duì)其自旋性質(zhì)的有效調(diào)控是發(fā)展器件應(yīng)用的關(guān)鍵.本文采用密度泛函理論系統(tǒng)地研究了GaSe表面Fe原子吸附體系的幾何構(gòu)型及自旋電子特性.Fe/GaSe體系中Fe吸附原子與最近鄰Ga,Se原子存在較強(qiáng)的軌道耦合效應(yīng),使體系呈現(xiàn)100%自旋極化的半金屬性.其自旋極化貢獻(xiàn)主要來源于Fe-3d電子的轉(zhuǎn)移及Fe-3d,Se-4p和Ga-4p軌道雜化效應(yīng).對(duì)于Fe雙原子吸附體系,兩Fe原子之間的自旋局域?qū)е略緩腇e轉(zhuǎn)移至GaSe的自旋極化電荷量減少,從而費(fèi)米能級(jí)附近的單自旋通道轉(zhuǎn)變?yōu)殡p自旋通道,費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化率轉(zhuǎn)變?yōu)?.研究結(jié)果揭示了Fen/GaSe吸附體系自旋極化特性的形成和轉(zhuǎn)變機(jī)制,可為未來二維自旋納米器件的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供參考.

表面吸附,密度泛函理論,半金屬性,自旋特性調(diào)控

1 引 言

石墨烯以其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和豐富優(yōu)良的物理性質(zhì)引起了全世界研究者的廣泛關(guān)注[1].然而,固有的帶隙缺失從本質(zhì)上限制了其在傳統(tǒng)發(fā)光器件領(lǐng)域的應(yīng)用[2].于是,科學(xué)家們?cè)趪L試通過外加電場、摻雜等方式打開石墨烯帶隙的同時(shí),也逐漸探索與其相似且本身具有不同帶隙寬度的二維材料,以滿足器件應(yīng)用的多重需求[3?5].近年來,III族金屬單硫化物MX(M=Ga,In;X=S,Se,Te)作為一種新的層狀半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì),贏得了越來越多科學(xué)工作者的青睞[6,7].機(jī)械剝離的少層GaSe展現(xiàn)良好光響應(yīng)性能,在紫外254 nm光照射下其光響應(yīng)度可達(dá)2.8 A/W,相應(yīng)的量子效率和開關(guān)比分別可達(dá)1367%和103,優(yōu)于MoS2和石墨烯等[6,8,9].除了在電子器件和光電器件方面的應(yīng)用以外,III族金屬單硫化物二維材料還具備優(yōu)異的自旋電子特性.其獨(dú)特的晶體場各向異性和自旋-軌道耦合作用使軌道電子態(tài)的簡并消退,在非共振偏振激發(fā)下產(chǎn)生具有高度自旋極化的載流子,其自旋極化率可超過90%,且具有較長的自旋弛豫時(shí)間[10,11];同時(shí),自旋極化特性可在體材料到納米單層厚度范圍內(nèi)得以精細(xì)調(diào)控.由此可見,III-VI族半導(dǎo)體材料同時(shí)兼具二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光電性能及獨(dú)特的自旋電子特性,對(duì)于超高密度集成和超快速度運(yùn)轉(zhuǎn)的自旋光電器件具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值.

為了進(jìn)一步滿足器件的設(shè)計(jì)需要,還可通過外加應(yīng)力[12]、調(diào)節(jié)組分[12]或電荷摻雜[13]等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋磁性的有效調(diào)性.目前,人們已通過引入摻雜原子及空位缺陷的方式在GaSe單層材料中產(chǎn)生高自旋極化并實(shí)現(xiàn)交互巡回的鐵磁性和半金屬性[14,15].相形之下,利用吸附原子的表面修飾作用調(diào)控單層GaSe電子及自旋磁性的研究卻鮮有報(bào)道.同時(shí),鐵磁材料,如Fe,Co和Ni具有高電子自旋極化率、高居里溫度及易于制備等特點(diǎn)[16?18],因此,采用表面吸附方式,在GaSe等III族金屬單硫化物二維表面修飾鐵磁原子可簡便而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)其電子及自旋磁性的調(diào)控.

本文通過第一性密度泛函理論,系統(tǒng)研究了磁性金屬Fen(n=1,2)原子對(duì)二維單層GaSe自旋電子性質(zhì)的調(diào)控.首先通過吸附能計(jì)算確定其最穩(wěn)定的吸附位,據(jù)此計(jì)算其自旋分辨能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度及差分電荷密度以分析Fen/GaSe吸附體系的自旋和電子軌道耦合作用.結(jié)果表明,Fe/GaSe體系在費(fèi)米能級(jí)處呈現(xiàn)100%自旋極化的半金屬性,而Fe2/GaSe由于兩Fe原子之間的自旋局域,體系在費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化率轉(zhuǎn)變?yōu)?%.

2 理論計(jì)算方法

本文采用第一性原理模擬方法,運(yùn)用基于密度泛函理論的VASP[19]程序包,分別模擬清潔GaSe及Fen吸附的單層GaSe的幾何及電子結(jié)構(gòu).為了隔絕周期性擴(kuò)展的吸附原子間的相互影響以及材料層間的相互作用,體系采用3×3超原胞(18個(gè)Se原子和18個(gè)Ga原子)結(jié)構(gòu)并在z方向引入厚度約25?的真空層.Ga,Se及Fe原子的價(jià)電子結(jié)構(gòu)分別為4s24p1,4s24p4和3d64s2.計(jì)算采用Perdew-Burke-Ernzerhof[20]交換關(guān)聯(lián)泛函及廣義梯度近似(GGA),布里淵區(qū)內(nèi)的積分采用9×9×1的Monkhorst-Pac k點(diǎn)陣,平面波基組的截?cái)嗄芰縀cut為350 eV.結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中,電子迭代收斂的總能允差設(shè)為10?6eV,離子弛豫運(yùn)動(dòng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)取為10?2eV/?,以保證晶胞所有原子自由度充分弛豫,體系能量達(dá)到最低.

3 結(jié)果與討論

單層GaSe 3×3超原胞幾何構(gòu)型如圖1(a)所示.清潔GaSe二維表面呈現(xiàn)六角蜂窩狀結(jié)構(gòu),其優(yōu)化后的晶格常數(shù)為3.82?[21].Ga—Ga和Ga—Se鍵長分別為2.47?和2.50?,相鄰Se原子之間Se—Ga—Se夾角約為99.5?.鑒于六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱性,GaSe表面存在三個(gè)高對(duì)稱吸附位,分別為芯位H,Se原子頂位T1以及Ga原子頂位T4.Fe原子的吸附能定義為E ad=E GaSe+n×E Fe?E Fen/G aSe,其中E GaSe,EFe和EFen/GaSe分別代表清潔GaSe、孤立Fe原子和Fen/GaSe體系總能,n為吸附的Fe原子個(gè)數(shù).計(jì)算結(jié)果顯示Fe單原子于H位、T1位和T4位的吸附能分別為1.08,0.59和2.20 eV,表明Ga原子頂位T4位為Fe原子的最穩(wěn)定吸附位.由結(jié)構(gòu)模型的原子坐標(biāo)可知,Fe原子吸附于H位和T1位時(shí),最近鄰Ga原子與Se原子的位置基本沒有變化,而Fe原子吸附于T4位時(shí),其位置則發(fā)生劇烈變化.除此之外,Fe原子吸附于T4位時(shí),Fe—Ga鍵長及Fe—Se鍵長分別為2.14?和2.38?,比其他兩個(gè)高對(duì)稱位的相應(yīng)鍵長都要短一些.較短鍵長通常意味著更大的波函數(shù)交疊與更強(qiáng)的原子間相互作用,表明Fe原子吸附T4位時(shí)與其最近鄰原子間的相互作用比吸附H位和T1位時(shí)更強(qiáng).在獲得最穩(wěn)定Fe/GaSe吸附體系的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步研究吸附第二個(gè)Fe原子的Fe2/GaSe體系的電子性質(zhì)(兩個(gè)Fe原子分別標(biāo)記為Fea和Feb).考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,Feb的可能吸附位選擇為Fea的頂位T位以及Fea的最近鄰T1位、H位和T4位,弛豫后的結(jié)構(gòu)模型和各主要原子間鍵長如圖1(e)—(h)及表1所列.Feb吸附T位時(shí),Feb只與Fea存在直接相互作用,Feb—Fea鍵長為2.17?;下方GaSe受Feb影響較小,體系中其他原子的相對(duì)位置與Fe/GaSe體系基本一致,如圖1(e)所示.Feb吸附T1位時(shí),由于與Fea的成鍵相互作用而彼此靠近,Feb—Fea鍵長為2.13?;同時(shí)Fea正下方的Ga原子也移至兩Fe原子之間并與之成鍵.當(dāng)Feb吸附H位時(shí),最近鄰Ga原子由于H位Fe原子的作用而偏離原本位置并向其靠近,此時(shí)Feb—Fea鍵長為2.29?,Fea—Ga和Feb—Ga鍵長幾乎相等.而當(dāng)Feb吸附T4位時(shí),由于Fe原子之間的相互作用,經(jīng)弛豫后Fea原子移至H位附近.可見,Feb吸附T4位時(shí)體系處于非穩(wěn)定狀態(tài),相比之下,其余三種構(gòu)型的Fe2/GaSe體系為穩(wěn)定或亞穩(wěn)態(tài).計(jì)算結(jié)果表明,Feb原子四個(gè)吸附位置的吸附能分別為1.67,1.99,3.67和3.58 eV,因此H位為Feb的最穩(wěn)定吸附位.因?yàn)镕eb原子吸附于H位和T4位的弛豫結(jié)構(gòu)基本一致,故兩者吸附能也較為相近.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)弛豫后(a)清潔的單層GaSe、吸附Fe單原子于GaSe(b)H位、(c)T1位及(d)T4位及Feb吸附于Fe/GaSe的(e)T位、(f)T1位、(g)H位及(h)T4位的結(jié)構(gòu)模型俯視圖Fig.1.(color on line)Top vieWs of(a)the relaxed GaSe ML,of the relaxed Fe/GaSe systeMWith a Fe adatoMlocating on H(b),T1(c),and T4(d)sites of GaSe su rface,and of the relaxed Fe2/GaSe systeMWith a FebadatoMlocating on T(e),T1(f),H(g)and T4(h)site of Fe/GaSe surface,respectively.

表1 Fen/GaSe系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù):不同吸附位Fe原子之間鍵長及其與GaSe最近鄰Ga,Se原子間鍵長,表中所有的長度單位均為?Tab le 1.Structu ral paraMeters of Fen/GaSe system:bond lengths of Fe adatoMs and their nearest neighbor atoMs on their diff erent adsorp tion sites.A ll lengths are in?.

為了闡明Fen/GaSe體系的自旋電子特性,我們計(jì)算了其自旋分辨的能帶結(jié)構(gòu).清潔單層GaSe自旋向上與自旋向下能帶結(jié)構(gòu)完全重合,表明其具有非磁性基態(tài),如圖2(a)所示.其導(dǎo)帶底位于Γ點(diǎn),價(jià)帶頂位于Γ點(diǎn)與M點(diǎn)之間,使之呈現(xiàn)間接能隙結(jié)構(gòu),其值為1.83 eV,與之前文獻(xiàn)結(jié)果一致[22].吸附一個(gè)Fe原子后,對(duì)稱分布的能帶分裂為兩個(gè)非對(duì)稱的自旋向上和向下的通道,其中價(jià)帶頂由原來的位置移至Γ點(diǎn),體系隨即轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?如圖2(b)和圖2(c)所示.費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)兩條雜質(zhì)能級(jí),并僅對(duì)自旋向下通道有貢獻(xiàn).同時(shí)由于Fe與周邊原子的軌道雜化,部分電荷由Fe-4s軌道轉(zhuǎn)移至3d軌道,從而導(dǎo)致約2個(gè)不成對(duì)電子,產(chǎn)生約為2.122μB的磁矩,并在最近鄰Se和Ga原子中分別形成約?0.004μB和?0.178μB的誘導(dǎo)磁矩(表2),意味著體系中Fe吸附原子與其周圍原子間存在反鐵磁耦合效應(yīng).為了驗(yàn)證磁矩的穩(wěn)定性,我們計(jì)算了體系的自旋極化能,其定義為體系電子有無自旋極化的能量差.計(jì)算結(jié)果表明其自旋極化能為0.02 eV/atom,足夠保持磁矩的穩(wěn)定性.隨著第二個(gè)Fe原子的吸附,原本Fe/GaSe體系自旋向上通道的價(jià)帶頂能級(jí)向上移動(dòng)至費(fèi)米能級(jí)附近,導(dǎo)帶底與費(fèi)米級(jí)之間也出現(xiàn)一條新的雜質(zhì)能級(jí),而自旋向下通道的雜質(zhì)能級(jí)在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近也均有明顯增加.然而,與Fe單原子吸附的Fe/GaSe不同的是,Fe2/GaSe體系兩個(gè)自旋通道在費(fèi)米能級(jí)處均無能級(jí)分布.兩Fe原子磁矩分別為2.451μB和1.690μB,表明存在鐵磁耦合效應(yīng);最近鄰Se原子及Ga原子的誘導(dǎo)磁矩分別為0.031μB和?0.181μB,表明Feb原子吸附后兩Fe原子與附近Ga原子仍存在反鐵磁耦合效應(yīng),但與近鄰Se原子的耦合效應(yīng)則由原本的反鐵磁耦合轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁耦合.此外,我們還計(jì)算了Fe2/GaSe體系中兩Fe原子之間鐵磁耦合的穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果顯示Fe原子之間的鐵磁耦合較反鐵磁耦合狀態(tài)更為穩(wěn)定,其能量低差約為0.33 eV.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)完整GaSe單層、(b),(c)Fe/GaSe及(d),(e)Fe2/GaSe體系自旋分辨的能帶結(jié)構(gòu)Fig.2.(color on line)(a)Energy band structu res of(a)the p ristine GaSe ML,(b),(c)Fe/GaSe,and(d),(e)Fe2/GaSe systeMs.

表2 Fen/GaSe體系中Fe原子及其最近鄰Se和Ga原子的電荷轉(zhuǎn)移和磁矩Tab le 2.Diff erential charge and MagneticMoMents of the Fe adatoMs and their nearest neighbor Se and Ga atoMs of Fen/GaSe systeMs.

自旋分辨的總態(tài)密度(TDOS)如圖3所示.清潔的單層GaSe總態(tài)密度呈現(xiàn)上下對(duì)稱分布,與能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果一致.相比之下,Fe/GaSe的費(fèi)米能級(jí)向高能方向移動(dòng),且?guī)稖p小約0.55 eV,同時(shí)費(fèi)米能級(jí)附近僅出現(xiàn)自旋向下的電子態(tài),且費(fèi)米能級(jí)處自旋極化率為100%,表現(xiàn)為單自旋的半金屬性[23].隨著第二個(gè)Fe原子的吸附,Fe2/GaSe體系的費(fèi)米能級(jí)繼續(xù)向高能方向移動(dòng),同時(shí)帶隙進(jìn)一步減小.原先位于費(fèi)米能級(jí)附近的單自旋通道轉(zhuǎn)變?yōu)殡p自旋通道同時(shí)存在,且由于能級(jí)的移動(dòng),費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化率由原來的100%轉(zhuǎn)變?yōu)?.進(jìn)而,我們通過對(duì)Fen/GaSe吸附體系中Fe原子及其相鄰Se和Ga原子分波態(tài)密度(PDOS)的分析,深入了解自旋極化態(tài)的軌道貢獻(xiàn),如圖4所示.Fe/GaSe體系中Fe吸附原子的電子態(tài)主要占據(jù)導(dǎo)帶底0.75—0.86 eV能量區(qū)間的自旋向下通道以及價(jià)帶頂?0.83—?0.55 eV能量區(qū)間的自旋向上通道,其貢獻(xiàn)主要源自于Fe原子3d態(tài).對(duì)于Fe最近鄰的Se原子,4p態(tài)在價(jià)帶頂?0.83—?0.55 eV的自旋向上通道中有明顯占據(jù),而4s態(tài)的作用相對(duì)比較小.不同于Se原子,最近鄰Ga原子的電子態(tài)在價(jià)帶頂貢獻(xiàn)較小,其4s態(tài)和4p態(tài)主要占據(jù)導(dǎo)帶底附近的自旋向上通道.除了占據(jù)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)鸟詈蠎B(tài),Fe原子及其最近鄰的Ga和Se原子亦在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)一些自旋極化的雜質(zhì)能級(jí),它們只占據(jù)自旋向下通道,導(dǎo)致出現(xiàn)半金屬性傳導(dǎo)特性.而對(duì)于Fe2/GaSe體系,兩個(gè)Fe吸附原子的電子態(tài)主要占據(jù)導(dǎo)帶底0.35—0.43 eV能量區(qū)間的上下自旋通道、價(jià)帶頂?0.69—?0.55 eV能量區(qū)間的自旋向下通道和帶間?0.32—?0.09 eV能量區(qū)間的上下自旋通道,貢獻(xiàn)主要來源于Fe原子3d態(tài).對(duì)于兩個(gè)Fe最近鄰的Se原子,4p態(tài)在導(dǎo)帶頂0.35—0.43 eV的自旋向上通道和帶間?0.32—?0.09 eV能量區(qū)間的兩個(gè)自旋通道中均有明顯占據(jù),而4s態(tài)的貢獻(xiàn)相對(duì)較小.最近鄰Ga原子的電子態(tài)在帶間貢獻(xiàn)比較小,其4s態(tài)和4p態(tài)主要占據(jù)導(dǎo)帶底0.35—0.43 eV能量區(qū)間的自旋向上通道和價(jià)帶頂?0.69—?0.55eV能量區(qū)間的自旋向下通道.由圖4可知,兩吸附體系中無論是在費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶頂還是導(dǎo)帶底,Se-4p,Ga-4p和4s軌道的分波態(tài)與兩個(gè)Fe吸附原子的3d軌道的分波態(tài)均十分符合,表明兩個(gè)Fe原子之間、Fe原子與其最近鄰原子的波函數(shù)高度交疊,可知Fe與GaSe存在明顯的成鍵相互作用.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)清潔GaSe單層、(b)Fe/GaSe和(c)Fe2/GaSe吸附體系的總態(tài)密度圖Fig.3.(color on line)TDOS of(a)the p ristine GaSe ML,(b)Fe/GaSe and(c)Fe2/GaSe adsorp tion systeMs.

為了澄清Fen/GaSe吸附體系自旋極化特性的形成及轉(zhuǎn)變機(jī)制,進(jìn)一步模擬Fe吸附原子與GaSe單層之間的相互作用及電荷分布.體系差分空間電荷密度?ρ(r)可通過以下公式計(jì)算:

圖4 (網(wǎng)刊彩色)Fe/GaSe吸附體系中Fe原子(a)與其最近鄰Se原子(b)和Ga原子(c)及Fe2/GaSe體系中兩個(gè)Fe原子(d),(e)與其最近鄰的Se原子(f)和Ga原子(g)的分波態(tài)密度,實(shí)線和虛線分別代表向上和向下自旋電子態(tài)Fig.4.(color on line)PDOS of the Fe adatom(a),its nearest neighbor Se(b)and Ga(c)atoMs of Fe/GaSe,and Fe adatoMs(d),(e),their nearest neighbor Se(f)and Ga(g)atoMs of Fe2/GaSe.The solid and dashed lines denote theMa jority and Minority spin states,respectively.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)未吸附Fe原子、(b)吸附一個(gè)Fe原子及(c),(d)吸附兩個(gè)Fe原子的單層GaSe模型(110)和(60)面的差分面電荷密度,其中負(fù)值和正值的等值線分別用藍(lán)色虛線和黑色實(shí)線表示,相鄰等值線的間距為0.003 e.??3Fig.5.(color on line)The vertical sections of deforMation charge densities of the(110)p lane of GaSe ML(a)Withou t Fe atoMadsorp tion,(b)With one adsorbed Fe atom,(c)and(d)With two adsorbed Fe atoMs.The negative and positive contours are respectively represented by the blue dashed lines and b lack solid lines With the contour interval of 0.003 e.??3.

4 結(jié) 論

本文通過第一性原理密度泛函理論,系統(tǒng)地研究了GaSe表面Fe原子吸附體系的幾何結(jié)構(gòu)及自旋電子特性.單層GaSe表面,Ga原子頂位T4為Fe單原子最穩(wěn)定吸附位,而T4-H位為Fe雙原子最穩(wěn)定吸附位.Fe單原子吸附的Fe/GaSe體系中Fe原子與最近鄰Ga,Se原子之間存在很強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng),使體系呈現(xiàn)100%自旋極化的半金屬性,其自旋極化貢獻(xiàn)主要來源于Fe-3d電子的轉(zhuǎn)移及Fe-3d,Se-4p和Ga-4p軌道雜化.對(duì)于Fe雙原子吸附體系,兩Fe原子之間的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致原本從Fe轉(zhuǎn)移至GaSe的自旋極化電荷量的減少,從而費(fèi)米能級(jí)附近的單自旋通道也隨之轉(zhuǎn)變?yōu)殡p自旋通道,Fe原子與最近鄰Se原子的耦合效應(yīng)也由原本的反鐵磁耦合轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁耦合;同時(shí)由于能級(jí)的移動(dòng),費(fèi)米能級(jí)處的自旋極化率轉(zhuǎn)變?yōu)?,本文揭示了Fen/GaSe吸附體系自旋極化特性的形成和轉(zhuǎn)變機(jī)制,對(duì)未來二維自旋納米器件的設(shè)計(jì)與構(gòu)建具有一定的參考意義.

[1]Novoselov K S,GeiMA K,Morozov SV,Jiang D,Zhang Y,Dubonos S V,Grigorieva IV,Firsov A A 2004 Science 306 666

[2]Zhou SY,Gweon G H,Fedorov A V,First P N,de Heer WA,Lee D H,Guinea F,Neto A H C,Lanzara A 2007 Nat.Mater.6 770

[3]Song L,Ci L J,Lu H,Sorokin P B,Jin C H,Kvashnin A G,Kvashnin D G,Lou J,Yakobson B I,A jayan P M2010 Nano Lett.10 3209

[4]Bianco E,Butler S,Jiang SS,Restrepo O D,Wind lW,Goldberger J E 2013 ACS Nano 7 4414

[5]Wu S F,Buck ley S,Schaib ley J R,Feng L F,Yan J Q,Mand rus D G,HataMi F,Yao W,Vuckovic J,Ma juMdar A,Xu X D 2015 Nature 520 69

[6]Late D J,Liu B,Luo J J,Yan A M,Matte H S S R,G rayson M,Rao C N R,D ravid V P 2012 Adv.Mater.24 3549

[7]Hu P,Wang L,Yoon M,Zhang J,Feng W,Wang X,Wen Z,Id robo J C,MiyaMoto Y,Geohegan D B,X iao K 2013 Nano Lett.13 1649

[8]Late D J,Liu B,Matte H S S R,Rao C N R,D ravid V P 2012 Adv.Fun.Mater.22 1894

[9]Hu P A,Wen Z Z,Wang L F,Tan P H,X iao K 2012 ACS Nano 6 5988

[10]GaMarts E M,Ivchenko E L,KaraMan MI,Mushinski V P,Pikus G E,Razbirin B S,Starukhin A N 1977 Sov.Phys.JETP 46 590

[11]Ivchenko E L,Pikus G E,Razbirin B S,Starukhin A I 1977 Sov.Phys.JETP 45 1172

[12]WeiW,Dai Y,Liu C W,Ma Y D,Huang B B 2015 J.Mater.Chem.C 3 11548

[13]Cao T,Li Z L,Louie S G 2015 Phys.Rev.Lett.114 236602

[14]Peng Y T,X ia C X,Zhang H,Wang T X,Wei S Y,Jia J 2014 Phys.Chem.Chem.Phys.16 18799

[15]Ao L,X iao H Y,X iang X,Li S,Liu K Z,Huang H,Zu X T 2015 Phys.Chem.Chem.Phys.17 10737

[16]Wang WG,Li M,HageMan S,Chien C L 2012 Nat.Mater.11 64

[17]Ikeda S,Miura K,YaMaMoto H,MizunuMa K,Gan H D,Endo M,K anai S,Hayakawa J,Matsukura F,Ohno H 2010 Nature Mater.9 721

[18]MaruyaMAt,Shiota Y,Nozaki T,Ohta K,Toda N,Mizuguchi M,Tu lapurkar A A,Shin jo T,Shiraishi M,MizukaMi S,Ando Y,Suzuki Y 2009 Nat.Nanotech.4 158

[19]K resse G,Hafner J 1994 Phys.Rev.B:Condens.Matter Mater.Phys.49 14251

[20]PerdeWJP,Burke K,ErnzerhofM1996 Phys.Rev.Lett.77 3865

[21]Ma Y D,Dai Y,Guo M,Yu L,Huang B B 2013 Phys.Chem.Chem.Phys.15 7098

[22]Zhou J 2015 RSC Adv.5 94679

[23]Lu Y H,Ke C M,Fu MM,Lin W,Zhang C M,Chen T,Li H,Kang J Y,Wu Z M,Wu Y P 2017 RSC Adv.7 4285

PACS:63.20.dk,68.43.Bc,75.20.HrDOI:10.7498/aps.66.166301

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61674124,11304257,11604275,61227009),the National Basic Research PrograMof China(G rant No.2016YFB 0400801),the Natu ral Science Foundation of Fu jian Province,China(G rant Nos.2014J01026,2016J01037,2015J01028),and the FundaMental Research Funds for the Central Universities,China(G rant Nos.20720160122,20720150033,20720160044).

?Corresponding author.E-Mail:zhangcM000@xmu.edu.cn

?Corresponding au thor.E-Mail:ypwu@xMu.edu.cn

Mod ifi cation of sp in electron ic p roperties of Fen/GaSe Monolayer adsorp tion system?

Lu Yi-Hong Ke Cong-Ming Fu Ming-Ming Wu Zhi-Ming Kang Jun-Yong Zhang Chun-Miao?Wu Ya-Ping?

(Fujian Provincial K ey Laboratory of SeMiconductors and App lications,Collaborative Innovation Center for Optoelectronic SeMiconductors and Effi cient Devices,DepartMent of Physics,X iaMen University,X iaMen 361005,China)

7 March 2017;revised Manuscrip t

3 June 2017)

G roup-IIIA Metal-Monochalcogenides have been extensively studied due to their unique optoelectronic and spin electronic p roperties.To realize the device app lications,Modifying theirMagnetic properties is desirable.AtoMic doping and vacancy defects have been proven to produce itinerant ferromagnetisMand half-metallicity in GaSe monolayer.Relatively,theMagneticModification by adsorbing foreign atoMs is rarely reported.Traditional ferroMagneticMaterial,Fe eleMent,possessing high electronic polarizability and high Curie teMperature,becoMes the best option of adsorbate.In thiswork,Fen(n=1,2)atoMs adsorbed GaSemonolayer systeMs are constructed,and the spin electronic properties are systeMatically studied through the density function theory.Based on the geoMetric con figuration of fully relaxed 3×3 GaSe supercell,three high ly symMetrical sites,i.e.,the holloWsite,the top site of Se atom,and the top site of Ga atoMare inspected to search for the stable absorp tion positions of FenatoMs.CoMputation results of adsorp tion energies indicate that the top site of Ga atoMis preferred for single Fe atom,and the holloWsite near the fi rst Fe adatoMis themost stab le site serving as adsorbing the second Fe atom.Based on themost stab le configuration,the spin electronic properties are studied.For the single Fe adsorbed system,the valence band MaximuMMoves toΓpoint,resu lting in a direct-band-gap.The strong orbit coup ling eff ect between Fe adatoMand its nearest Ga and Se atoMs causes un-coincident majority and Minority spin channels.Two iMpurity bands are located near the FerMi level and contribute on ly to theMinority spin channel,producing a half-Metallicity With a 100%spin polarization in the system.Bader charge analysis and spin-resolved partial density of states suggest that the spin polarization isMainly attributed to the transfer of Fe-3d electrons,and the hybridizations of Fe-3d,Se-4p,and Ga-4p states.Charge transfer froMthe Fe adatoMto GaSe generates an n-type doping and an antiferroMagnetic coup ling between Fe and vicinal Ga and Se atoMs.For the two-Fe-atoMs adsorbed GaSeMonolayer,the spin electronic states are found to beMain ly located between the two Fe adatoMs,leading to the reduction of the charge transfer froMFe to GaSe ML.As the original single spin channel turns into two spin channels(Majority spin channel and Minority spin channel)near the FerMi level,the ferroMagnetic coup ling between Fe atoMand the vicinal Se atoMs turn into antiferroMagnetic coup ling and the spin polarization falls to 0%.Therefore,the spin p roperties of GaSemonolayer can be controlled by modifying the number of adsorbed Fe atoMs.These results reveal the forMation and transforMof the spin electronic properties of typical ferroMagnetic/GaSe adsorption system,which off ers some advice for designing and constructing the two-dimensional spin nanostructures.

surface adsorption,density functional theory,half-metallicity,spin property modification

10.7498/aps.66.166301

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 61674124,11304257,11604275,61227009)、 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2016YFB 0400801)、福建省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2014J01026,2016J01037,2015J01028)和廈門大學(xué)校長基金(批準(zhǔn)號(hào):20720160122,20720150033,20720160044)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:zhangcM000@xMu.edu.cn

?通信作者.E-Mail:ypwu@xMu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn