First-principles study of magnetic properties of alkali metals and alkaline earth metals doped two-dimensional GaN materials

基于密度泛函理论和投影缀加波赝势方法, 采用广义梯度近似算法研究了碱金属(Li, Na, K和Rb)和碱土金属(Be, Mg和Sr)掺杂二维GaN单层的电子结构和磁学性质. 研究表明, 除Be原子位于GaN单层平面内之外, 其余掺杂原子均略微隆起于平面. 通过比较七种掺杂体系在不同环境下的形成能, 发现在富N环境中更易实现掺杂. 能带结构表明: 四种碱金属原子掺杂体系是磁性半导体, 总磁矩为2μ_B; 三种碱土金属掺杂体系呈半金属性, 总磁矩为1μ_B. 磁耦合计算表明, 七种元素掺杂体系均存在长程铁磁耦合. 采用海森伯平均场模型估算双掺杂体系的居里温度, 发现Li, Be, Mg和Sr的长程铁磁耦合态居里温度均高于室温, 表明这4种原子掺杂的二维GaN单层是很好的室温铁磁性备选材料.