无铅卤化物钙钛矿CsBCl3(B=Ti,V,Cr)的半金属性第一性原理研究及其自旋电子学应用

研究人员针对自旋电子学器件对高自旋极化材料的需求，通过密度泛函理论(DFT)结合蒙特卡洛模拟，系统研究了无铅卤化物钙钛矿CsBCl3(B=Ti,V,Cr)的结构与物性。发现CsTiCl3和CsCrCl3具有半金属铁磁性(100%自旋极化)和较高居里温度(200-240K)，CsVCl3则呈现反铁磁半导体特性(带隙3.03eV)，为自旋电子学和光电器件开发提供了新材料体系。

　　

在信息技术飞速发展的今天，传统电子器件面临的能耗瓶颈日益凸显。自旋电子学(spintronics)通过利用电子自旋自由度，有望实现更低功耗、更高速度的新一代器件。然而，该领域发展长期受限于理想材料的匮乏——需要兼具高自旋极化率(SP)、显著磁矩以及接近室温的磁相变温度。近年来，卤化物钙钛矿(AMX₃)因其丰富的物理性质成为研究热点，但含铅材料的毒性问题制约了实际应用。

针对这一挑战，摩洛哥研究团队在《Materials Science and Engineering: B》发表了关于无铅钙钛矿CsBCl₃(B=Ti,V,Cr)的开创性研究。通过第一性原理计算结合蒙特卡洛模拟，发现CsTiCl₃和CsCrCl₃展现出完美的半金属铁磁性(HMFM)——自旋向下通道呈现宽禁带半导体特性(带隙分别为3.25eV和3.15eV)，而自旋向上通道保持金属性，实现理论100%自旋极化。更引人注目的是，通过海森堡模型估算的居里温度(T_C)分别达到200K和240K，其中CsCrCl₃还表现出优异的机械性能(体模量34.51GPa)。相比之下，CsVCl₃则稳定在反铁磁半导体态(GGA+U带隙3.03eV)，为光电器件提供了新选择。

研究采用量子ESPRESSO软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，使用PBE-GGA处理交换关联作用，并通过ONCV赝势描述核价电子相互作用。结构优化采用BFGS算法，磁性基态通过比较铁磁(FM)和反铁磁(AFM)构型确定。弹性性质通过thermo_pw模块评估，声子谱分析验证动力学稳定性，交换参数映射至海森堡模型后采用蒙特卡洛模拟估算T_C。

优化与稳定性
所有化合物在立方相Pm^?3m空间群中稳定存在，负的形成能(-3.45至-4.12eV/atom)和合理的容差因子(0.89-0.91)证实热力学稳定性。声子谱无虚频证实动力学稳定性，其中CsCrCl₃的八面体因子(0.44)最优。

电子与磁性质
能带分析显示CsTiCl₃和CsCrCl₃具有典型半金属特征：自旋向上通道跨越费米能级，而自旋向下通道呈现直接带隙。磁矩主要来自B位离子的3d电子(Ti:1μ_B，Cr:3μ_B)，双交换机制主导磁耦合。CsVCl₃则因超交换作用形成G型反铁磁序。

机械性能
CsCrCl₃展现出最优的机械稳定性(弹性常数C₁₁-C₁₂>0)，其Pugh比值(1.76)和泊松比(0.27)表明韧性特征，体模量(34.51GPa)接近传统半导体GaAs。

这项研究首次系统揭示了Cs基无铅钙钛矿的半金属特性，为解决自旋电子学材料的"室温瓶颈"提供了新思路。特别是CsCrCl₃兼具良好的磁有序温度、机械强度和100%自旋极化率，有望应用于自旋过滤器、磁隧道结等器件。理论预测的3.03eV宽带隙反铁磁半导体CsVCl₃也为紫外光电器件开发开辟了新途径。研究通过多尺度计算方法建立了材料成分-结构-性能的构效关系，为后续实验合成和器件设计提供了重要理论指导。