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磁性电子化合物的高通量材料筛选、性质与应用

发布时间:2023-02-23 来源: Wavin威文 点击量: 194

图1(a)中给出了电子化合物筛选流程图。综合基于第一性原理的四种判断指标,包括电子局域函数、局部电荷密度、电子态密度、拓扑量子化学理论,共筛选出276种电子化合物。基于已有实验结果,结合多种泛函理论、磁构型配置和U值测试,发现51种为磁性电子化合物。根据电子维度、化学计量比、磁基态构型,对这些电子化合物进行了分类与总结,如图1(b)-(d)所示。从图1(d)中可以看出,间隙磁性(IM)电子化合物较铁磁(FM)和反铁磁(AFM)电子化合物更多,说明位于晶格间隙的多余电子是电子化合物中磁性形成的一大诱因。


对磁性电子化合物的电子结构进行了系统研究。如图2(a)和(b)所示,从其导电性角度讲,84.3%的磁性电子化合物为磁性金属,少数为磁性半导体。尤其,发现4种磁性电子化合物是半金属,具有100%自旋极化率。这些电子化合物在自旋电子学器件中具有重要应用前景。此外,对磁性电子化合物的拓扑电子结构进行了研究,发现它们展现出丰富的拓扑态,包括量子反常霍尔效应(QAHE)、Weyl节点(WP)、三重简并节点(TDNP)、Dirac节点(DP)、节线(NL)、节面(NS)等,如图2(c)所示。磁性拓扑电子化合物可以实现自旋极化拓扑费米子、漂浮拓扑表面态、磁控拓扑相变等,必将在拓扑物理领域获得关注。


电子化合物中,由于多余电子受原子核和晶格的束缚作用较弱,往往具有低的电子功函数。通过理论计算发现,超过60%的磁性电子化合物的功函数小于4 eV。比常规的电子发射材料的功函数低,如石墨烯(4.60 eV)、Cu(4.65 eV)、Ni(5.35 eV)等。尤其,反铁磁电子化合物Ba4Al5的功函数仅为2.02 eV,是目前报道的功函数最低的材料之一。所以,这些电子化合物非常有望被应用于电子发射器件中,其工作原理如图3(a)所示。

此外,这些磁性电子化合物还有望应用为高性能催化合成氨的促进剂,其中电子化合物的特性主要起到两个方面的作用:第一,低功函数特性赋予了电子化合物强电子供给能力,在合成氨过程中可以提供大量电子与N2分子π键的反键态成键;第二,电子化合物中的大晶格空隙有利于可逆的氢储存/释放,抑制氨合成反应中“氢中毒”现象。其基本机制如图3(b)所示。以Gd2MgNi2为例,通过理论计算发现多个磁性电子化合物,如Ba3MnN3、Sr3MnN3、Gd2MgNi2、Dy3Co 等,与最经典的电子化合物催化促进剂 C12A7:4e的效果相当,但有望解决C12A7:4e中存在的与过渡族金属催化剂难聚合的弊端。

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