双轴应变与载流子掺杂对2H-RuCl2单层本征谷极化的调控及其在自旋电子学与谷电子学中的应用研究

本综述通过第一性原理计算系统揭示了2H-RuCl2单层在双轴应变和载流子掺杂调控下展现的独特磁各向异性（MAE）、谷极化与拓扑相变行为，其室温近邻的居里温度（Tc≈280 K）、应变诱导量子反常霍尔效应（QAH）和半谷金属态（HVM）为新一代自旋电子学（spintronics）与谷电子学（valleytronics）器件设计提供了理论基石。

　　

Highlight

双轴应变与载流子掺杂对2H-RuCl₂单层本征谷极化的效应

Computational methods（计算方法）

所有计算均基于密度泛函理论（DFT），通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）完成，采用投影缀加波（PAW）方法及广义梯度近似（GGA-PBE）泛函。平面波截断能设置为550 eV，结构优化使用2×2×1超胞模型。

Results and discussions（结果与讨论）

结构、动力学与磁稳定性：

单层RuCl₂采用2H-MoS₂型结构，属于D_3h点群，其Ru层夹于两层Cl原子之间，形成三角棱柱配位，从而打破空间反演对称性。声子谱计算证实其动力学稳定性，而分子动力学模拟表明该结构在300 K下仍可保持稳定。

磁各向异性能量（MAE）计算显示，平衡状态下体系具有面外磁各向异性（1.87 meV/Ru），居里温度（T_c）约为280 K，接近室温运作阈值。施加双轴拉伸应变至3.7%时，发生自旋重取向——从面外转向面内磁各向异性。轨道分辨投影态密度（PDOS）分析表明，该转变源于未占据态从d_z2轨道向面内d_xy和d_x2?y2轨道的转移。

在1.7%和3.2%拉伸应变下，体系分别进入两个半谷金属（HVM）相：HVM1与HVM2。值得注意的是，在整个HVM1–HVM2应变区间（1.7%–3.2%），面外各向异性得以保持，从而增强了谷极化态与拓扑态的稳定性。此外，交换能最小值（E_ex = E_AFM – E_FM）与量子反常霍尔（QAH）相的出现均发生在2.4%应变附近，显示出二者之间的强关联。

载流子掺杂（包括电子与空穴掺杂）可调节MAE和谷极化的大小，但不改变易磁化轴方向，从而提供了一种不改变晶体结构的外部调控手段。

Conclusion（结论）

总之，我们通过第一性原理计算全面研究了单层2H-RuCl₂的电子、磁性和拓扑性质，重点关注了磁各向异性、应变调控和载流子掺杂效应。零应变下该材料表现出强铁磁（FM）基态，MAE高达1.87 meV/Ru，T_c约280 K，极具室温应用潜力。双轴拉伸应变下，体系在3.7%处发生自旋重取向，并先后进入HVM1、QAH和HVM2等拓扑非平庸相，展现出多重的电子相变路径与可调的贝里曲率分布，为设计基于谷自由度和拓扑边界态的低功耗电子器件提供了理想平台。