铁掺杂二维过渡金属氧化物单层材料的高温铁磁特性及其自旋电子学应用

【编辑推荐】本研究通过第一性原理计算（DFT）揭示了铁（Fe）掺杂二维过渡金属氧化物（TMO）单层材料（ZnO/TiO/CrO）的结构与磁学特性。Fe掺杂诱导了半金属性（half-metallicity）和室温以上居里温度（TC）的铁磁有序，为自旋电子学（spintronics）器件设计提供了新材料平台。

　　

Highlight

二维铁磁材料为下一代自旋电子技术提供了广阔前景，但本征铁磁二维体系仍稀缺。本研究通过密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理计算（GGA/GGA+U），探索了铁（Fe）掺杂过渡金属氧化物（TMO）单层材料（TM = Zn、Ti、Cr）的结构、电子和磁学特性。

Results and discussion

研究显示，Fe掺杂显著增强了由未配对d电子驱动的磁响应。其中Fe-CrO体系表现出半金属性和强铁磁交换作用，所有Fe-TMO单层材料的居里温度（T_C）均高于室温，满足实际应用需求。

Conclusion

通过GGA和GGA+U计算证实：ZnO/TiO原始单层为非磁性半导体，而CrO单层呈现反铁磁（AFM）半导体特性。Fe掺杂后，所有体系均转变为铁磁有序，其中Fe-ZnO和Fe-TiO表现为半金属性，Fe-CrO则展现100%自旋极化的半金属态。这些发现为二维自旋电子器件设计提供了新思路。

（注：翻译严格遵循了专业术语标注、符号保留和生动性要求，如"d电子""T_C""AFM"等术语处理，并删除了文献引用标识）