利用 DFT+MFT 重新审视过渡金属掺杂 Bi$_2$Se$_3$ 中的磁交换相互作用
材料科学
2025-09-09 v1
摘要
在稀掺杂极限下，掺杂磁性杂质的拓扑绝缘体已成为实现量子反常霍尔效应（QAHE）的有前景候选体系。在这些体系中实现 QAHE 的关键因素是掺杂磁性原子之间的自发铁磁（FM）有序。因此，理解磁性原子间的磁交换相互作用变得至关重要。本工作采用密度泛函理论（DFT）和磁力定理（MFT）计算了主体材料 Bi2Se3 中磁性杂质（V、Cr、Mn、Fe）之间的磁交换相互作用。通过对计算所得交换作用的轨道分解，我们能够确定交换机制的性质和起源，这取决于磁性原子类型、掺杂浓度、主体材料等因素。我们的结果表明，Cr 掺杂导致绝缘态，这是实现 QAHE 的先决条件，并且该绝缘态对掺杂浓度和局域关联保持鲁棒性。在此情况下，短程超交换和通过主体 p 轨道介导的长程交换导致了铁磁序。对于其他掺杂体系（V、Mn 和 Fe 掺杂），其电子构型和局域八面体环境使得费米能处存在有限载流子密度的可能性。根据这些载流子的类型（电子/空穴）及其局域/非局域特性，磁性原子间可能出现短程双交换或长程 RKKY 机制。
引用
@article{arxiv.2401.12514,
title = {Revisiting magnetic exchange interactions in transition metal doped Bi$_2$Se$_3$ using DFT+MFT},
author = {Sagar Sarkar and Shivalika Sharma and Igor Di Marco},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.12514},
year = {2025}
}