來源：微信公眾號「Research科學研究」
近期，中國科學技術大學楊金龍院士課題組提出了一種雙極磁性半導體（BMS）篩選的標準策略，並基於該策略篩選出了11種本徵BMS材料，其中包括一種具有室溫本徵鐵磁性的Li2V3TeO8材料。
相關成果以「High-Throughput Computational Screening for Bipolar Magnetic Semiconductors」為題，發表在Research上。
研究背景
自旋電子學器件利用電子自旋進行信息的傳遞、處理與存儲，相對於傳統的微電子學器件，具有運算速度快、能耗低等潛在的優勢。
但自旋一般只能通過磁場來調控，這使器件微型化和集成化難以實現，而用電場調控則可解決此矛盾。
因此，如何實現利用電場調控電子的自旋，是自旋電子學面臨的關鍵科學問題之一。
為解決此問題，楊金龍團隊前期在概念上提出了一種新型的自旋電子學材料，即雙極磁性半導體（Bipolar Magnetic Semiconductors，BMS）[Natl. Sci. Rev. 2016, 3, 365]。
此類材料的獨特之處在於其導帶與價帶邊具有相反的自旋極化方向，因而可通過施加門電壓調節費米能級的位置，使其提供不同自旋取向的電子，突破了用磁場調控自旋的傳統模式，為發展新型電場調控的自旋電子學器件提供了一種全新的思路。
然而，尋找本徵鐵磁性的雙極磁性半導體材料一直是一個難題。
研究進展
在本工作中，楊金龍團隊針對BMS材料搜索提出了一個標準的高通量計算篩選策略，該策略包括初級過濾和二級過濾（圖1）。
初級過濾通過使用常規快速的密度泛函方法如PBE+U依次進行初始化、磁性、穩定性、帶隙和摻雜性質的考察來圈定可能的BMS材料，二級過濾則通過使用更為精確的雜化泛函方法和准粒子方法等對磁序、磁交換能和能帶進行計算實施更精細地篩選。
基於該二重篩選策略，研究人員以Materials Project晶體資料庫為例，從~40000個結構中篩選出了11個本徵的BMS材料（包括1個實驗製備的材料和10個理論提出的材料）。
其中一個BMS材料Li2V3TeO8（mp-771246）具有室溫本徵鐵磁性，其居里溫度高達478 K。
圖1 （a）初級過濾器 （b）BMS篩選統計分析 （c）二級過濾器
值得注意的是，Li2V3TeO8材料還具有以下兩個優點。
1）相對於實驗相LiVTeO5和LiV3(TeO6)2而言，Li2V3TeO8相具有更低的形成焓，使其在實驗上具有一定的合成可能性；
2）在將體相的Li2V3TeO8切割成（001面）納米薄膜時，仍然可以很好地保持BMS特性，這使得其在納米自旋電子器件應用方面有著巨大的潛力。
圖2 Li2V3TeO8（001面）薄膜DOS隨層數的變化
未來展望
該研究工作為從各種晶體結構資料庫中發現新的本徵BMS材料提供了一種可行的解決方案，可以有效地提升BMS材料的搜索和設計效率，為自旋電子學的發展鋪平道路。
但是目前Materials Project資料庫中部分數據存在計算誤差，導致一些潛在的BMS材料不能被正確地篩選出來。
因此，高質量的數據集是今後亟待解決的問題。
同時，未來基於已有的BMS材料建立結構-性能關係，利用機器學習方法預測新的BMS也是一種可行的方法。
作者簡介
- 楊金龍
楊金龍，中國科學院院士，中國科學技術大學教授，長期致力於應用量子化學研究，在新型功能材料的設計與模擬、表面單分子量子行為的表徵與調控等方面取的了原創性和系統性成果，在國內外產生了重要影響。
已發表SCI收錄論文540餘篇（第一和通訊作者280篇），其中3篇Science、5篇Nature、10 篇Nature子刊、31篇J. Am. Chem. Soc. 、13篇Angew. Chem. Int. Ed.和14篇Phys. Rev. Lett.。
應邀在國內外學術會議上做邀請報告和大會報告120餘次。
主持國家重大科學研究項目（2次）、國家重點研發計劃項目和基金委創新研究群體。
- 李星星
李星星副教授長期致力於基於第一性原理的材料設計、表徵與器件模擬研究。
以當前信息和能源兩大重要議題為導向，聚焦在自旋信息材料設計、單分子電子信息器件模擬、能源轉化催化機理解析三個方面，開展了系統深入的理論研究，先後取得了多項重要成果，為指導和推動相關實驗研究提供了理論思路和路線，如提出並發展了一類自旋信息材料即雙極磁性半導（簡稱BMS），為自旋電調控難題提供了解決思路；在單分子器件中實現了氫鍵動力學的原位電學表徵，為利用氫鍵進行信息處理奠定了基礎；提出了紅外光分解水制氫機制，為全頻譜利用太陽能鋪平了道路。
迄今為止在Nature Communications、Science Advances、JACS、PRL、Angew、Nano Letters等著名SCI期刊發表第一、共一、共通訊作者論文34篇，總被引2000餘次。
入選中科院青年創新促進會會員。
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