杨金龙院士团队提出双极磁性半导体高通量筛选策略

来源：微信公众号“Research科学研究”

近期，中国科学技术大学杨金龙院士课题组提出了一种双极磁性半导体（BMS）筛选的标准策略，并基于该策略筛选出了11种本征BMS材料，其中包括一种具有室温本征铁磁性的Li2V3TeO8材料。

相关成果以“High-Throughput Computational Screening for Bipolar Magnetic Semiconductors”为题，发表在Research上。

研究背景

自旋电子学器件利用电子自旋进行信息的传递、处理与存储，相对于传统的微电子学器件，具有运算速度快、能耗低等潜在的优势。

但自旋一般只能通过磁场来调控，这使器件微型化和集成化难以实现，而用电场调控则可解决此矛盾。

因此，如何实现利用电场调控电子的自旋，是自旋电子学面临的关键科学问题之一。

为解决此问题，杨金龙团队前期在概念上提出了一种新型的自旋电子学材料，即双极磁性半导体（Bipolar Magnetic Semiconductors，BMS）[Natl. Sci. Rev. 2016, 3, 365]。

此类材料的独特之处在于其导带与价带边具有相反的自旋极化方向，因而可通过施加门电压调节费米能级的位置，使其提供不同自旋取向的电子，突破了用磁场调控自旋的传统模式，为发展新型电场调控的自旋电子学器件提供了一种全新的思路。

然而，寻找本征铁磁性的双极磁性半导体材料一直是一个难题。

研究进展

在本工作中，杨金龙团队针对BMS材料搜索提出了一个标准的高通量计算筛选策略，该策略包括初级过滤和二级过滤（图1）。

初级过滤通过使用常规快速的密度泛函方法如PBE+U依次进行初始化、磁性、稳定性、带隙和掺杂性质的考察来圈定可能的BMS材料，二级过滤则通过使用更为精确的杂化泛函方法和准粒子方法等对磁序、磁交换能和能带进行计算实施更精细地筛选。

基于该二重筛选策略，研究人员以Materials Project晶体数据库为例，从~40000个结构中筛选出了11个本征的BMS材料（包括1个实验制备的材料和10个理论提出的材料）。

其中一个BMS材料Li2V3TeO8（mp-771246）具有室温本征铁磁性，其居里温度高达478 K。

图1 （a）初级过滤器 （b）BMS筛选统计分析 （c）二级过滤器

值得注意的是，Li2V3TeO8材料还具有以下两个优点。

1）相对于实验相LiVTeO5和LiV3(TeO6)2而言，Li2V3TeO8相具有更低的形成焓，使其在实验上具有一定的合成可能性；

2）在将体相的Li2V3TeO8切割成（001面）纳米薄膜时，仍然可以很好地保持BMS特性，这使得其在纳米自旋电子器件应用方面有着巨大的潜力。

图2 Li2V3TeO8（001面）薄膜DOS随层数的变化

未来展望

该研究工作为从各种晶体结构数据库中发现新的本征BMS材料提供了一种可行的解决方案，可以有效地提升BMS材料的搜索和设计效率，为自旋电子学的发展铺平道路。

但是目前Materials Project数据库中部分数据存在计算误差，导致一些潜在的BMS材料不能被正确地筛选出来。

因此，高质量的数据集是今后亟待解决的问题。

同时，未来基于已有的BMS材料建立结构-性能关系，利用机器学习方法预测新的BMS也是一种可行的方法。

作者简介

• 杨金龙

杨金龙，中国科学院院士，中国科学技术大学教授，长期致力于应用量子化学研究，在新型功能材料的设计与模拟、表面单分子量子行为的表征与调控等方面取的了原创性和系统性成果，在国内外产生了重要影响。

已发表SCI收录论文540余篇（第一和通讯作者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.。

应邀在国内外学术会议上做邀请报告和大会报告120余次。

主持国家重大科学研究项目（2次）、国家重点研发计划项目和基金委创新研究群体。

• 李星星

李星星副教授长期致力于基于第一性原理的材料设计、表征与器件模拟研究。

以当前信息和能源两大重要议题为导向，聚焦在自旋信息材料设计、单分子电子信息器件模拟、能源转化催化机理解析三个方面，开展了系统深入的理论研究，先后取得了多项重要成果，为指导和推动相关实验研究提供了理论思路和路线，如提出并发展了一类自旋信息材料即双极磁性半导（简称BMS），为自旋电调控难题提供了解决思路；在单分子器件中实现了氢键动力学的原位电学表征，为利用氢键进行信息处理奠定了基础；提出了红外光分解水制氢机制，为全频谱利用太阳能铺平了道路。

迄今为止在Nature Communications、Science Advances、JACS、PRL、Angew、Nano Letters等著名SCI期刊发表第一、共一、共通讯作者论文34篇，总被引2000余次。

入选中科院青年创新促进会会员。