二维（2D）层状材料因其良好的光学、电学和磁性性能成为研究热点。其中，二维过渡金属二硫化物（TMDs）因具有1-2 eV的可调谐的光学带隙，有效克服了石墨烯零带隙的缺点，已成功应用于纳米电子器件中。然而，大多数TMDs单层呈非磁性特征，极大阻碍了它们在自旋电子器件领域的潜在应用。因此，研发高居里温度的本征铁磁半导体，成为突破高性能自旋电子器件发展瓶颈的关键。
针对这一挑战，天津理工大学-安玉凯课题组在2024年取得重要进展：
Journal of Magnetism and Magnetic Materials：Janus2H-CeXY(X,Y=Cl, Br ,I, X∕=Y)单层中自旋谷特性：谷电学与自旋电子学的融合研究
寻找具有自发谷极化的铁磁材料对于谷电子学领域是一个重要课题。本文作者通过MedeA Environment创建了Janus 2H-CeXY单层结构（图1a），随后采用MedeA VASP优化单层结构，计算体系磁性、能带结构、电子局域函数等电子性质。铁磁（FM）和反铁磁（AFM）结构见图1b-c，FM和AFM直接的能量差△E用于估算磁基态，定义为△E=EAFM-EFM。Janus 2H-CeBr、CeCl和CeBrCl单层的△E值分别为1.26、1.25和1.28 eV，表明存在稳定的铁磁基态。电子局域函数（ELF）显示Janus 2H-CeXY单层具有典型的离子键特性。声子色散谱中未观察到虚频，证实Janus 2H-CeXY动力学稳定性良好；从头算分子动力学（AIMD）表明其具有良好的热稳定性。无自旋轨道耦合（SOC）的Janus 2H-CeXY的能带结构表现出典型的双极铁磁半导体特性；SOC加入打破了时间反转对称性，并产生了自发的谷极化。Janus 2H-CeXY谷极化对外部应变具有可调性。
综上，作者通过第一性原理系统研究了Janus 2H-CeXY（X，Y=Cr，Br，I，X≠Y）单层的电子结构、自旋-谷极化和磁各向异性。Janus 2H-CeXY为二维本征铁谷材料，具有双极铁磁（FM）半导体特性、511-540 K的高居里温度、稳定的面内/垂直磁各向异性及自发谷极化现象。本研究为自旋/谷电子器件的发展提供了一个平台。
图1 (a) Janus 2H-CeXY结构；(b) FM和 (c) AFM态；(d) 电子局域函数；(e) 声子色散谱；(f)考虑自旋极化下能带结构；(g) SOC下能带结构；(h) Ce原子磁矩及比热随温度变化。
参考文献：DOI:10.1016/j.jmmm.2024.172600
Physical Review B：具有高居里温度和垂直磁各向异性的Janus2H-CeBrCl单层本征铁谷半导体研究
本案例利用密度泛函理论系统计算了Janus 2H-CeBrCl单层的几何结构、电子性质及磁性等。
首先，作者通过MedeA Environment创建了Janus 2H-CeBrCl单层结构，其具有六方晶格结构，呈现Cl-Ce-Br排布；随后通过MedeA VASP计算表明其较易通过实验机械剥离。图c为2H-CeBrCl单层的铁磁（FM）和反铁磁（AFM）有序结构，FM有序能量低于AFM能量，意味着2H-CeBrCl存在稳定的铁磁基态；声子谱表明其动态稳定；电子局域函数证实电子从Ce层转移到Br或Cl层，具有明显离子键特性。2H-CeBrCl居里温度高达540 K，远超室温；磁各向异性（MAE）最大值达52 µeV，MAE随应变增加而增加，当应变为2%时，2H-CeBrCl单层从垂直磁各向异性过渡到面内磁各向异性；整个应变范围内，压电系数从1.56提高至4.03 pm/V。以上表明2H-CeBrCl单层是集铁磁性、谷极化、压电性与一体额理想二维材料，在纳米电子学和谷电子学器件中具有重要应用价值。
图1 (a) Janus 2H-CeBrCl单层结构；(b) 解离能和解离强度与距离关系；(c) FM和AFM排序；(d) 声子色散谱；(e) 静电势图；(f) 电子局域函数图
图2 Janus 2H-CeBrCl单层的MAE (a)不同极角下个平面和 (b) 整个空间；(c) Ce原子磁矩、磁容量与温度关系；能带结构 (d)不含SOC、(e)含SOC及 (f)含SOC的Ce-d轨道能带投影
参考文献：DOI:10.1103/PhysRevB.00.005400
Journal of Magnetism and Magnetic Materials：2H-VS2单层的本征压电性、自旋谷分裂和磁晶各向异性研究
作为典型二维TMDs，VS2和VSe2单层因其本征铁磁序、半导体特征和谷分裂行为（二维铁谷材料）备受关注。虽然一些工作报道了2H-VS2单层磁性，但其磁各向异性、谷分裂行为仍未得到系统解释。
本文借助MedeA Environment创建2H-Vs2单层结构，通过MedeA VASP研究体系磁矩、能带结构等性质。从图中可知，2H-VS2中V原子层夹在两个S原子层之间，形成蜂窝状结构；2H-Vs2单层中，V、S原子的磁矩分别为0.978 μB和-0.044 μB，其具有本征铁磁有序。通过声子谱和弹性常数证明2H-Vs2单层具有良好的动力学和机械稳定性。2H-Vs2单层具有明显的双极性磁性半导体特性，居里温度为278 K，较大的压电系数和谷分裂；施加应变可将其从双极磁性半导体转变为自旋无带隙半导体。此外2H-VS2单层保留了大的谷对比贝里曲率和非零反常霍尔电导率，载流子的横向速度与面内纵向电场效应相反。以上结果表明，2H-VS2单层是自旋电子学和谷电子学应用的良好候选材料。
图1 2H-VS2单层结构 (a)俯视图；(b)侧视图；自旋电荷密度 (c)铁磁态；(d)反铁磁态；(e)声子色散谱；(f)磁矩和比热随温度变化曲线。
参考文献：DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.171521
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