Theoretical prediction of C- and O-doped Hittorf’s violet phosphorene as bipolar magnetic semiconductor material

磷烯 材料科学 凝聚态物理 兴奋剂 自旋电子学 自旋极化 磁性半导体 半导体 费米能级 光电子学 带隙 铁磁性 物理 电子 量子力学
作者
Yi-Lin Lu,Shengjie Dong,Fang-Chao Cui,Kai-Cheng Zhang,Chunmei Liu,Jiesen Li,Zhuo Mao
出处
期刊:Chinese Physics [Science Press]
卷期号:73 (1): 016301-016301
标识
DOI:10.7498/aps.73.20231279
摘要

Hittorf’s violet phosphorene is a novel two-dimensional material with stable structure and excellent optoelectronic properties. Studying the doping effect helps to understand its physical essence and is of great significance in further developing nanoelectronic devices. In this paper, the first-principles method based on density functional theory is used to study the electromagnetic properties of the non-metallic element B-, C-, N-, and O-doped single-layer violet phosphene. The results show that there is no magnetism after having doped boron and nitrogen, and the system still behaves as a nonmagnetic semiconductor, while carbon doping and oxygen doping cause spin splitting, and the violet phosphorene transforms from a nonmagnetic semiconductor to a bipolar magnetic semiconductor, and its spin density is mainly distributed in the P atom and gap region, rather than on the impurity. The direction of spin polarization of its carrier can be reversed by adjusting the electric field of O-doped violet phosphorene. When a certain size of forward or reverse electrostatic field is applied, the band dispersion becomes stronger, and the O-doped violet phosphorene transforms into a half-metallic magnet with 100% downward or upward spin polarization at the Fermi level. The field effect spin filter based on O-doped violet phosphorene can reverse the direction of spin-polarized current by changing the direction of the gate voltage. This study shows that O-doped violet phosphorene is expected to be an ideal candidate material for two-dimensional spin field-effect transistors, bipolar magnetic spintronic devices, dual channel field effect spin filters, and field-effect spin valves.

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