Fe/Co掺杂诱导单层NiBr2金属性转变及增强的磁各向异性

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0123

摘要/Abstract

摘要： 二维磁性材料的性能调控对发展纳米自旋电子器件至关重要。为了理解Fe/Co掺杂对单层NiBr₂电磁性能的调控机理，本文通过第一性原理系统研究了Fe/Co掺杂对单层NiBr₂电磁性能的影响。就结构稳定性而言，随着Br原子化学势的变化，Fe原子掺杂比本征结构更稳定。同时，当Br的化学势处于特定范围（-1.12 eV<μ_Br<-0.50 eV）时更容易得到完美的单层NiBr₂。就电子结构而言，Fe掺杂的引入使NiBr₂发生从半导体到金属的转变（Fe_Ni）。就磁性质而言，Fe/Co的掺杂显著增强了NiBr₂的面外磁各向异性。同样Fe掺杂也使结构的相变温度提升至63.7 K，为单层NiBr₂的2.5倍。本研究揭示了过渡金属掺杂对NiBr₂电磁性能的调控规律，为纳米级自旋电子器件的快速发展提供理论支持。

关键词: NiBr₂; 二维磁性材料; 原子掺杂; 相变温度; 电磁性能; 磁各向异性

Abstract: Performance regulation of two-dimensional magnetic materials is crucial for the development of nanoscale spintronic devices. To explore the modulation mechanisms of Fe/Co doping on the electromagnetic properties of monolayer NiBr₂， the influence of Fe/Co doping on the electromagnetic properties of monolayer NiBr₂ was systematically investigated by first-principles calculations. In terms of structural stability， Fe doping is more stable than monolayer NiBr₂ with the change of the chemical potential of Br. Meanwhile， Fe doping is easier to obtain monolayer NiBr₂， when the chemical potential of Br is within a specific range （-1.12 eV<μ_Br<-0.50 eV）. For electronic structures， Fe doping leads to semiconductor-to-metal transformation. In terms of magnetic properties， Fe/Co doping significantly enhances the out-of-plane magnetic anisotropy in NiBr₂. Similarly， Fe doping enhances the phase transition temperature to 63.7 K， which is 2.5 times of monolayer NiBr₂. This investigation reveals the regulation law of transition metal doping on the electromagnetic properties of monolayer NiBr₂， and provides theoretical support for the rapid development of nanoscale spintronic devices.

Key words: NiBr₂; two-dimensional magnetic material; atomic doping; phase transition temperature; electromagnetic property; magnetic anisotropy

中图分类号:

O469

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图/表 5

图1 单层NiBr2考虑磁性优化的完美（a）、（b）和Co/Fe掺杂缺陷（c）、（d）的原子结构。（e） Fe/Co掺杂的NiBr2的Eform。其中黄色部分对缺陷进行了高亮表示。图中绿色和红色的原子分别表示为Ni原子和Br原子，蓝色和灰色分别表示Co和Fe原子。

Fig.1 Atomic structure of monolayer NiBr2 （a），（b） and Co/Fe-doped defective （c），（d） with magnetic optimization. （e） Eform of Fe/Co-doped in NiBr2. The details of defects have been highlighted by yellow region. Green， red， blue and gray balls represent the atoms of Ni， Br， Co and Fe， respectively

表1 Fe/Co掺杂缺陷的晶格参数a、c，体积V，金属原子和卤素原子的键长L，层内和层间Br—Ni—Br角度 θ1和 θ2，缺陷处（Odefect）及其周围（Oground） Br原子的轨道矩

Table 1 Lattice constants a， c， volume V， bond length L between metal and halogen atoms， intralayer and interlayer Br—Ni—Br angles θ1 and θ2， orbital moment of Br atoms at defect sites （Odefect） and surrounding matrix sites （Oground） for Fe/Co-doped defects

	a/Å	c/Å	V/Å³	L/Å	θ₁/（°）	θ₂/（°）	O_defect/μ_B	O_ground/μ_B
NiBr₂	11.1	20	235.8	2.55	87.4	92.7	0.002	0.002
Co_Ni	11.1	20	235.8	2.57	87.6	92.4	0.003	0.003
Fe_Ni	11.1	20	235.8	2.45	87.5	92.5	0.005	0.004

表2 Fe/Co掺杂缺陷的带隙（Eg）、磁相转化（FM→DM）温度（TD）、磁各向异性能（MAE）、电子有效质量（m*）、金属和卤素原子的磁矩（M， μB·m-1 or μB·h-1）以及磁基态

Table 2 Band gap， FM→DM transition temperature （TD）， magnetic anisotropy energy （MAE）， effective electron mass （m*）， magnetic moments of metal/halogen atoms （M， μB·m-1 or μB·h-1） and magnetic ground state

Structure	E_g/eV	T_D/K	MAE/meV	m^*	M/（μ_B·m^-1）	M/（μ_B·h^-1）	Magnetic ground state
NiBr₂	1.61 （I）	25.3	2.98	0.51	1.36	0.24	FM
Co_Ni	1.62 （I）	5.3	3.16	0.57	2.45	0.23	FM
Fe_Ni	Metal	63.7	5.89	4.96 （h）	3.47	0.23	FM

图2 CoNi（a）和FeNi（b）考虑SOC的能带结构和分波态密度PDOS

Fig.2 Band structures and PDOS of CoNi （a） and FeNi （b） with SOC calculations

图3 CoNi（a）~（c）和FeNi（d）~（f）中各原子轨道对MAE的贡献

Fig.3 Atomic orbital contributions to the MAE in CoNi （a）~（c） and in FeNi （d）~（f）

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Fe/Co掺杂诱导单层NiBr₂金属性转变及增强的磁各向异性

Fe/Co Doping-Induced Metallic Transition and Enhanced Magnetic Anisotropy in Monolayer NiBr₂

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