金属插层二维 GeP$_3$ 中的磁性与电子开关

在二维主体中插层外来原子一直被视为调控二维平台中电子与磁性质的一条颇具前景的途径。在本研究中，我们基于第一性原理对 Cr 原子掺杂的二维 GeP$_3$ 的能量稳定性及磁/电子性质进行了理论探究。我们的总能量结果显示形成了热力学稳定的 Cr 掺杂 GeP$_3$ 双层 [(GeP$_3$)$_{BL}$]，其特征是间隙 Cr 原子位于 (GeP$_3$)$_{BL}$ 之间的范德瓦耳斯(vdW)间隙中 [(GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$]。我们表明，(GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$ 的基态行反铁磁(RW-AFM)相可在压缩机械应变($\varepsilon$)下调谐为铁磁(FM)构型，即 Cr$^{\uparrow \downarrow} \xrightarrow{\varepsilon}$Cr$^{\uparrow \uparrow}$。通过考虑其堆叠对应物 (GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$/(GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$ 与 (GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$/Cr/(GeP$_3$)$_{BL}^{Cr}$，我们发现这种磁调谐由层内与层间耦合共同决定，其中 RW-AFM 相分别转变为逐层 FM (Cr$^{\uparrow \uparrow}$//Cr$^{\uparrow \uparrow}$) 与 AFM (Cr$^{\uparrow \uparrow}$/Cr$^{\downarrow \downarrow}$/Cr$^{\uparrow \uparrow}$) 相。进一步的电子能带结构计算表明，这些 Cr 掺杂体系呈金属性，其特征是在费米能级处出现应变诱导的自旋极化通道。这些发现揭示，原子插层确实为二维体系中磁/电子性质的设计与调控提供了一组新的自由度。