北航单光存课题组：成功预测新型二维室温铁磁稀土材料GdB₂N₂

【导读】研究背景

近些年来，二维铁磁材料相继在实验室中成功合成，其中包括CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆, VSe₂, Fe₃GeTe₂等材料。由于其具有独特的二维结构和本征铁磁性能，所以对于新型高性能自旋电子器件、传感器和非易失性磁存储器件的研究制备具有重要意义。而以Gd、Eu为典型代表的稀土元素，具有半满且局域化的4f电子轨道，往往能够表现出大的饱和磁化强度和强的磁各向异性，但实际应用却常受限于较低的居里温度。于是，预测与研究饱和磁化强度大、磁各向异性强以及居里温度高的二维铁磁稀土材料，对于新一代磁传感器和自旋电子器件的研发具有重要意义。

研究成果

近期，来自北京航空航天大学的单光存教授团队基于第一性原理密度泛函理论成功预测了一种新型的二维室温铁磁稀土材料GdB₂N₂；相关研究成果以〝Prediction of novel two-dimensional room-temperature ferromagnetic rare-earth material - GdB₂N₂ with large perpendicular magnetic anisotropy〞（具有大垂直磁各向异性的二维室温铁磁稀土材料GdB₂N₂的预测研究）为题，发表在材料物理交叉领域方面的国际著名杂志Materials Today Physics上。北京航空航天大学单光存教授为本文的通讯作者。该工作基于第一性原理密度泛函理论预测了一类新型二维室温铁磁稀土材料GdB₂N₂，其中磁性能尤其是居里温度Tc=~335 K和垂直磁各向异性(~10.38 meV/f.u.)优于已报道的绝大多数二维铁磁材料。该二维铁磁稀土材料GdB₂N₂的成功预测对于设计研发新型稀土基高性能磁传感器和自旋电子器件的发展具有重要意义。

核心创新点

1. 基于第一性原理密度泛函理论预测了一类新型二维室温 (Tc=~335 K) 铁磁稀土材料GdB₂N₂。2. 该二维稀土材料GdB₂N₂具有大的饱和磁化强度(~7.87 μB/f.u.)和相当大的垂直磁各向异性 (~10.38 meV/f.u.)。3. 二维铁磁稀土材料GdB₂N₂的成功预测对于高性能磁传感器和新型自旋电子器件的发展具有重要意义。

成果展示

研究基于第一性原理密度泛函理论报道预测了一类新型二维室温铁磁稀土材料GdB₂N₂。该二维稀土材料GdB₂N₂表现出金属性，且具有大的饱和磁化强度 (~7.87 μB/f.u.)、高的居里温度 (~335 K) 和大的垂直磁各向异性 (~10.38 meV/f.u.)，其优异的磁性被推测来源于Gd稀土原子间的RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosid) 效应。从头算分子动力学、声子谱和弹性常数矩阵等方法论证了材料具有杰出的热稳定性 (在500K下能保持初始结构超过10ps) 和机械稳定性。此外，轴向应变和电荷掺杂等外部激励被发现能够用来调制GdB₂N₂的磁性能。二维铁磁稀土材料GdB₂N₂的成功预测对于高性能磁传感器和新型自旋电子器件的发展具有重要意义。

文章链接

[1] Haoyi Tan, Guangcun Shan and Jiliang Zhang. Prediction of novel two-dimensional room-temperature ferromagnetic rare-earth material - GdB2N2 with large perpendicular magnetic anisotropy. Materials Today Physics, 2022, 24, 100700.

URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529322000980

DOI：10.1016/j.mtphys.2022.100700

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编辑：黄琦

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