二维 MoSiGeN4 在 Co、Fe、Mn 共吸附及应变下的电子结构、磁性与光学性质

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Electronic structure, magnetism and optical properties of two-dimensional MoSiGeN 4 under co, Fe, Mn co-adsorption and strain

　　

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  过渡金属（TM）吸附可诱导半导体向金属或半金属转变。
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  通过TM-d轨道杂化，可产生高达10.49 μB的巨磁矩。
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  通过施加应变，可有效调控带结构和磁矩。
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  电荷转移量在不同双吸附系统和受应变影响的系统中存在差异，并表现出n型掺杂特征。
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  TM吸附增强了静态介电响应以及可见光/近红外光吸收。

引言

随着二维材料的广泛应用发展，其优异的物理性质已被应用于日常生活、技术、医学及其他技术领域[1], [2], [3], [4]。例如，石墨烯[5], [6]、锗烯[7]以及二维过渡金属硫族化合物[8], [9]在许多科学技术领域发挥着重要作用。然而，随着自旋电子学的发展，材料科学面临新的挑战——需要实现超高密度数据存储和超低功耗计算，从而突破依赖电荷操控的传统电子学局限[10], [11], [12]。通过利用电子的自旋自由度，自旋电子学为下一代存储和逻辑器件带来了范式转变[13]。在此背景下，二维（2D）材料凭借其原子级厚度、量子限域效应以及高度可调的电子性质，已成为极具前景的应用平台[14], [15]。由于大多数本征二维晶体天然不具有磁性，将磁性引入二维材料已成为自旋电子学领域的核心目标，其中磁性对于开发高密度非易失性存储器至关重要[16], [17]。然而，通过在表面吸附过渡金属（TM）原子，可以实现某些表面功能特性，这已被证明是诱导磁矩最有效的策略之一[18], [19], [20]。

近年来，随着Janus二维材料的涌现，例如近期合成的MA₂Z₄家族，这类二维MA₂Z₄材料缺乏已知的三维层状同质异构体。其结构由"Z-A-Z-M-Z-A-Z"七层三明治构型组成，其性质可通过设计"MZ₂"核层和"A-Z"钝化层进行调控，为磁性性质的调控开辟了新途径[21]。Vskaia等人通过大量计算研究了MA₂Z₄家族二维结构的可调性对电子性质的显著影响，为将该材料应用于电子器件、光电等领域提供了理论基础[22]。作为该家族的重要分支，MoSi₂N₄及其Janus衍生物MoSiGeN₄（由MoSi₂N₄中的Si原子被Ge原子取代形成）同样展现出广泛的可调性和应用潜力。Cui等人采用第一性原理计算方法研究了TM原子吸附对MoSi₂N₄电子结构和磁性性质的影响，并指出了其在自旋电子学和真空电子发射纳米器件中的潜在应用[23]。在相关研究中，将碱金属沉积到MoSi₂N₄上已被证明可以调控电子带隙、降低功函数并拓宽可见光捕获范围[24]。此外，X. Li等人对单层Janus MoSiGeN₄上气体分子吸附的研究也展示了其在气体传感器中的潜力[25]。在元素掺杂方面，Mohamed等人系统研究了3d/4d过渡金属替代MoSi2N4单层的结构、电子性质和磁性，以及其在自旋电子学中的潜在应用[26]。应变是调控材料性质的另一种有效方法。研究表明，施加双轴应变可以显著调控MoSi₂N₄的带隙宽度和类型，同时增强其对可见光和近红外光的吸收，使其在光电应用中具有重要价值[27]。此外，Li等人发现Janus MoSiGeN?在应变作用下表现出丰富的电子特性和自旋劈裂特征[28]，而Guo等人的研究也证实了应变对Janus ZrSiGeN₄和HfSiGeN₄单层电子结构的有效调控作用[29]。

然而，尽管已取得上述进展，但对受双TM共吸附作用下的二维MoSiGeN₄的电子、磁性和光学行为的全面研究仍较为匮乏。为探究共吸附双金属原子的单层MoSiGeN₄在自旋电子器件和光电器件中的潜在应用，本研究深入考察了Co、Fe和Mn在单层MoSiGeN₄上的共吸附行为。我们采用第一性原理方法计算了双吸附系统的结构稳定性、能带构型、态密度、电荷转移和光学性质。我们的研究结果为自旋电子器件和光电传感器等潜在应用提供了理论基础和设计策略。

各章节摘要

计算方法

本研究基于密度泛函理论（DFT），使用维也纳从头算模拟软件包（VASP）[30], [31]进行了全面的共吸附体系第一性原理模拟计算。考虑到3d过渡金属（3dTM）原子中d轨道电子的强关联效应对吸附体系各种性质计算具有显著影响，我们在DFT计算中引入了Hubbard U修正，即DFT + U计算。根据已有文献报道，我们分别对Co、Fe和Mn采用了3.3、3.5和4.3 eV的U值。

电子结构与磁性

我们首先构建了4 × 4 × 1超胞，结构优化后的超胞如图1所示。优化后的晶格常数为a = b = 2.91 ?，与文献报道结果接近[38]。二维MoSiGeN₄具有面内不对称结构，其几何构型与其他二维类似物（包括MoSi₂N₄和MoSi₂P₄）高度相似[23], [39]。优化后单层MoSiGeN₄的声子谱如图2所示。可以看出，优化后的

结论

本文采用DFT + U方法对Co、Fe和Mn在单层Janus MoSiGeN₄上的共吸附行为进行了深入分析。通过计算吸附能，我们发现TM原子倾向于吸附在基底的T₂位点（Ge侧正上方）和T₅位点（Si侧正上方），且吸附过程为放热过程，表明吸附结构稳定。Bader电荷分析表明，电荷从TM原子转移到基底。

CRediT作者贡献声明

徐斌（Bin Xu）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，软件，资源，方法论，调查，资金获取，数据整理。杨梦冉（Mengran Yang）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，软件，方法论，调查，资金获取，数据整理。肖丽霞（Lixia Xiao）：撰写 – 审阅与编辑，软件，方法论。贾思远（Siyuan Jia）：软件，资源，方法论，调查。方嘉明（Jiaming Fang）：软件，方法论，调查。施立朋（LipengShi）：方法论，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本研究中报道的工作产生影响。

致谢

本研究由国家自然科学基金资助，资助编号：U1404108。

徐斌|杨梦冉|肖丽霞|贾思远|方嘉明|施立朋|周丹|王裕生|尹琳