源自碳插层二维卤化物的半导体与铁磁性镧系MXenes
材料科学
2024-10-25 v1 介观与纳米尺度物理
化学物理
计算物理
摘要
二维磁性半导体是开发下一代信息存储技术的核心焦点。MXenes作为新兴的二维早期过渡金属碳化物和氮化物，具有多样的组成和可调的化学结构。将镧系金属（其4f电子在调控物理性质中具有独特作用）引入MXenes，有望推动技术应用的发展。然而，含镧系元素的三元MAX相前驱体稀缺以及镧系元素易氧化的特性，给通过自上而下刻蚀方法获得镧系MXenes（Ln2CT2）带来了重大挑战。在此，我们提出了一种通用的自下而上合成镧系MXenes的方法，该方法源自碳插层的二维卤化物范德华结构单元。与传统的导电MXenes相比，合成的Ln2CT2展现出可调的带隙，范围从0.32 eV到1.22 eV，覆盖了典型的半导体如Si（1.12 eV）和Ge（0.67 eV）。此外，未成对f电子的存在赋予了Ln2CT2本征铁磁性，其居里温度在36 K至60 K之间。理论计算表明，与传统MXenes相比，裸Ln2C MXenes中费米能级附近的d电子态数量大幅减少，而卤素终端可以进一步耗尽这些电子以打开带隙。同时，Ln2CT2中的Ln-4f电子高度局域化且远离费米能级，为观察到的铁磁行为贡献了自旋分裂。镧系MXenes在革新自旋电子器件未来应用方面具有巨大潜力。
引用
@article{arxiv.2410.18337,
title = {Semiconductive and Ferromagnetic Lanthanide MXenes Derived from Carbon Intercalated Two-dimensional Halides},
author = {Qian Fang and Liming Wang and Kai Chang and Hongxin Yang and Pu Yan and Kecheng Cao and Mian Li and Zhifang Chai and Qing Huang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2410.18337},
year = {2024}
}