Structure-property relationships have always been guiding principles in discovering new materials. Here we explore the relationships to discover novel two-dimensional (2D) materials with the goal of identifying 2D magnetic semiconductors for spintronics applications. In particular, we report a density functional theory + $U$ study of single-layer antiferromagnetic (AFM) semiconductor CoS$_2$ with the pentagonal structure forming the so-called Cairo Tessellation. We find that this single-layer magnet exhibits an indirect bandgap of 1.06 eV with light electron and hole effective masses of 0.03 and 0.10 $m_0$, respectively, which may lead to high carrier mobilities. The hybrid density functional theory calculations correct the bandgap to 2.24 eV. We also compute the magnetocrystalline anisotropy energy (MAE), showing that the easy axis of the AFM ordering is out of plane with a sizable MAE of 153 $μ$eV per Co ion. We further calculate the magnon frequencies at different spin-spiral vectors, based on which we estimate the N$\acute{e}$el temperatures to be 20.4 and 13.3 K using the mean field and random phase approximations, respectively. We then apply biaxial strains to tune the bandgap of single-layer pentagonal CoS$_2$. We find that the energy difference between the ferromagnetic and AFM structures strongly depends on the biaxial strain, but the ground state remains the AFM ordering. Although the low critical temperature prohibits the magnetic applications of single-layer pentagonal CoS$_2$ at room temperature, the excellent electrical properties may find this novel single-layer semiconductor applications in optoelectronic nanodevices.
Pentagonal Monolayer Crystals of Carbon, Boron Nitride, and Silver Azide
在这项研究中，我们提出了一个五角形单层的碳（p-石墨烯），氮化硼（p-B $_{2}$ N $_{4}$和p-B $_{4}$ N $_{2}$）和叠氮化银（p-AgN $_{3}$）的结构，电子和机械性能的理论研究，通过执行国家的最先进的第一性原理计算。我们的总能量计算表明完全由五边形组成的单层晶体结构的形成是可行的。此外，电子能带色散计算表明，虽然p-石墨烯和p-AgN $_{3}$是具有间接带隙的半导体，但p-BN结构显示出金属行为。我们还研究了单轴应变下四种不同五边形结构的力学性能（面内刚度和泊松比）。发现p-石墨烯具有最高的刚度值，并且发现相应的泊松比为负。类似地，p-B $_{2}$ N $_{4}$和p-B $_{4}$ N $_{2}$具有负泊松比值。另一方面，p-AgN $_{3}$具有大的正泊松比。在动力学稳定性测试的基础上计算的声子谱的这些五边形单层，我们发现，只有p-石墨烯和p-B $_{2}$ N $_{4}$是稳定的，但p-AgN $_{3}$和p-B $_{4}$ N $_{2}$是容易受到振动激发。
Anomalous spin-lattice coupling in a 2D antiferromagnetic semiconductor revealed by surface acoustic Rayleigh waves
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所）；Auburn University（奥本大学）
Evidence for Magnon-Assisted Exciton Radiation in a Layered Antiferromagnetic Semiconductor
State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University（厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室）；Department of Physics, Xiamen University（厦门大学物理系）；Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Materials Oriented Chemical Engineering, Fujian Normal University（福建师范大学面向化学工程的先进材料福建省重点实验室）
Ternary iron selenide K$_{0.8}$Fe$_{1.6}$Se$_2$ is an antiferromagnetic semiconductor
采用第一性原理电子结构计算方法研究了K $_{0.8+x}$ Fe $_{1.6}$ Se $_2$的电子结构和磁性.铁空位有序的KPDMATHABMP Fe $_{1.6}$ Se $_2$的基态被发现是一个准二维块棋盘式反铁磁（AFM）半导体的能隙为594 meV和一个大的有序磁矩为3.37 $μ_B$为每个Fe原子，在良好的协议与中子散射测量。潜在的机制是化学键驱动的四聚体晶格畸变。K $_{0.8+x}$ Fe $_{1.6}$ Se $_2$ with finite $x$是一种掺杂的AFM半导体，具有低导电载流子浓度，其与过量的钾含量近似成比例，定性地与红外观察一致。我们的研究揭示了这些材料中反铁磁性和超导性之间相互作用的重要性。这表明$_{0.8}$ Fe $_{1.6}$ Se $_2$而不是KFe $_2$ Se $_2$应被视为母体化合物，在电子或空穴掺杂时从其出现超导性。
Indication of antiferromagnetic interaction between paramagnetic Co ions in the diluted magnetic semiconductor Zn$_{1-x}$Co$_{x}$O
采用X射线磁性圆二色性（XMCD）技术研究了ZnO（0001）衬底上不同氧分压下同质外延生长的Zn $_{1-x}$ Co $_x$ O（$x=0.07$和0.10）薄膜在Co $2p$芯能级吸收边的磁性.吸收光谱的线形在所有的膜中是相同的，并且表明Co $^{2+}$离子取代了Zn位点。的磁场和温度的XMCD强度的依赖性是一致的磁化强度测量，表明除了钴有没有额外的来源的磁矩，并证明在同质外延Zn $_{1-x}$ Co $_{x}$ O薄膜的顺磁和铁磁成分的共存，相反，在异质外延Zn $_{1-x}$ Co $_{x}$ O薄膜的铁磁性先前研究。利用Curie-Weiss定律对XMCD的强度进行了分析，发现顺磁性Co离子之间存在反铁磁相互作用。缺失的XMCD强度和磁化强度信号表明，大多数的Co离子是非磁性的，可能是因为它们是强耦合的反铁磁彼此。在高真空中退火降低了顺磁和铁磁信号。我们将还原归因于Zn $_{1-x}$ Co $_{x}$ O中Co离子与反铁磁纳米团簇的热扩散和聚集。
Electronic structures and magnetic orders of Fe-vacancies ordered ternary iron selenides TlFe$_{1.5}$Se$_2$ and AFe$_{1.5}$Se$_2$ (A=K, Rb, or Cs)
通过第一性原理电子结构计算，我们发现Fe空位有序TlFe $_{1.5}$ Se $_2$的基态是一个准二维共线反铁磁半导体，其能隙为94 meV，与实验测量相一致.这种反铁磁有序是由Fe磁矩之间的Se桥反铁磁超交换相互作用驱动的。同样地，我们发现晶体AFe $_{1.5}$ Se $_2$（A=K，Rb，或Cs）也是反铁磁半导体，但具有零能隙半导体态或与基态近似简并的半金属态。因此，丰富的物理性质和相图的预期。
Metallic Interface Emerging at Magnetic Domain Wall of Antiferromagnetic Insulator---Fate of Extinct Weyl Electrons
与普通半导体不同，拓扑绝缘体伴随着由狄拉克型费米子描述的受保护的金属表面。在这里，我们从理论上表明，另一个新兴的二维金属嵌入在大块绝缘体实现在磁畴壁。畴壁长期以来一直被研究作为老式和前沿自旋电子学的成分。畴壁在这里，作为一个看似微不足道的反铁磁绝缘体的接口，紧急实现了一个功能接口，由零模式与强大的二维费米表面，其中烧绿石铱氧化物提出主机凝聚态实现外尔费米子提供这样的例子在低温下保存。钉扎在畴壁的inap态的存在，理论上类似于聚乙炔中的自旋/电荷孤子，并作为隐藏的一维弱Chern绝缘体的边缘被保护，其特征在于零维A类拓扑不变量，解决了在R2 Ir 2 O 7中观察到的实验难题。畴壁实现了电子的量子限制，并提供了一个净均匀磁化，这使得磁控制电子界面输运超越半导体范式。
Pressure-driven phase transition from antiferromagnetic semiconductor to nonmagnetic metal in two-leg ladders $A$Fe$_2$$X$$_3$ ($A$=Ba or K, $X$=S or Se)
BaFe $_2$ S $_3$ [Takahashi { \it et al.}，Nat.板牙. { \bf 14}，1008（2015）]已经激发了对123型铁硫属化物的相当大的兴趣。这种材料是第一个报道的铁基双腿梯形超导体，而不是铁超导体家族的主流二维层状结构。一旦流体静压超过$11$ GPa，BaFe $_2$ S $_3$在低于$24$ ~K时从半导体变为超导体。虽然以前的计算正确地解释了它的基态磁态和电子结构，压力诱导的相变没有成功地再现。在这项工作中，我们的第一性原理计算发现，随着压力的增加，晶格常数以及局部磁矩逐渐被抑制，随后在临界压力下发生一阶磁转变，局部磁矩突然下降到零。我们的计算表明，由电子从S转移到Fe引起的自掺杂可能在这种转变中起着关键作用。在高压下形成一种非金属相可能为超导性铺平道路。作为这一努力的延伸，还研究了另外两种123型铁硫族化物KFe $_2$ S $_3$和KFe $_2$ Se $_3$。KFe $_2$ S $_3$随压力增加也显示一级相变，但KFe $_2$ Se $_3$显示二级或弱一级相变。用于KFe $_2$ S $_3$和KFe $_2$ Se $_3$的淬灭磁性所需的压力高于BaFe $_2$ S $_3$。进一步的实验可以证实BaFe $_2$ S $_3$和KFe $_2$ S $_3$中预测的一级跃迁性质，以及其他123…
