Электронные свойства квазидвумерных халькогенидов переходных металлов с низкоразмерным магнетизмом
https://doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-7-87-95
Аннотация
Поиск физических фундаментальных закономерностей, приводящих к устойчивому высокотемпературному ферромагнетизму, является актуальной задачей. Кроме уже синтезированных двумерных материалов, остается широкий перечень возможных структур, стабильность которых предсказана теоретически. В статье представлены результаты изучения электронных свойств соединений на основе халькогенидов переходных металлов MAX3 (M = Cr, Fe, A = Ge, Si, X = S, Se, Te) с наноструктурированным магнетизмом. Исследования проводились с помощью квантовомеханического моделирования в специализированном программном комплексе VASP, а также расчетов в рамках модели Гейзенберга. Определены основные магнитные состояния двумерных MAX3 и соответствующие им зонные энергетические структуры. Установлено, что среди изучаемых систем наноразмерным ферромагнетиком является CrGeTe3. Кроме того, данное соединение является полупроводником с шириной запрещенной зоны равной 0,35 эВ. Остальные материалы являются антиферромагнетиками. Весь магнитный момент в MAX3 локализован на атомах переходного металла, в частности, на d-орбитали атома переходного металла (и лишь незначительная часть – на p-орбитали халькогена). Для CrGeTe3 проведены расчеты интеграла обменного взаимодействия. Установлены вероятностные механизмы формирования магнитного порядка. Согласно полученным интегралам обменного взаимодействия, в плоскости полупроводника формируется строгий ферромагнитный порядок. Распределение парциальной плотности электронных состояний указывает на гибридизацию между d-орбиталью атома переходного металла и p-орбиталью халькогена. Определено, что более вероятностным является обменное взаимодействие по механизму суперобмена.
Об авторах
М. С. Баранова
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Россия
Россия
Баранова Мария Сергеевна, научный сотрудник НИЛ 4.4 НИЧ
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
П. А. Проскурова
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Россия
Россия
студентка кафедры микро- и наноэлектроники
Минск
Список литературы
1. Coey J.M.D. Magnetism and Magnetic Materials. Cambridge University Press; 2010.
2. Gibertini M., Koperski M., Morpurgo A.F., Novoselov K.S. Magnetic 2D materials and heterostructures. Nature Nanotechnology. 2019;14(5):408-419. DOI:10.1038/s41565-019-0438-6.
3. Mermin N.D., Wagner H. Absence of Ferromagnetism or Antiferromagnetism in One- or TwoDimensional Isotropic Heisenberg Models. Physical Review Letters. 1966;17(22):1133-1136. DOI:10.1103/physrevlett.17.1133.
4. Niss M. History of the Lenz-Ising Model 1950–1965: from irrelevance to relevance. Archive for History of Exact Sciences. 2008;63:243-287. DOI:10.1007/s00407-008-0039-5.
5. Zhuang H.L., Kent P.R.C., Hennig R.G. Strong anisotropy and magnetostriction in the two-dimensional Stoner ferromagnetFe3GeTe2. Physical Review B. 2016;93(13). DOI:10.1103/physrevb.93.134407.
6. Liu S., Yuan X., Zou Y., Sheng Y., Huang C., Zhang E., … Xiu F. Wafer-scale two-dimensional ferromagnetic Fe3GeTe2 thin films grown by molecular beam epitaxy. Npj 2D Materials and Applications. 2017;1(1). DOI:10.1038/s41699-017-0033-3.
7. Carteaux V., Ouvrard G., Grenier J.C., Laligant Y. Magnetic structure of the new layered ferromagnetic chromium hexatellurosilicate Cr2Si2Te6. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1991;94(1,2):127-133. DOI:10.1016/0304-8853(91)90121-p.
8. Li X., Yang J. CrXTe3(X = Si, Ge) nanosheets: two dimensional intrinsic ferromagnetic semiconductors. Journal of Materials Chemistry C. 2014;2(34):7071. DOI:10.1039/c4tc01193g.
9. Lee J.U., Lee S., Ryoo J.H., Kang S., Kim T.Y., Kim P., Cheong H. Ising-Type Magnetic Ordering in Atomically Thin FePS3. Nano Letters. 2016;16(12):7433-7438. DOI:10.1021/acs.nanolett.6b03052.
10. Huang B., Clark G., Navarro-Moratalla E., Klein D.R., Cheng R., Seyler K.L., Xu X. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 2017;546(7657):270-273. DOI:10.1038/nature22391.
11. Gong C., Li L., Li Z., Ji H., Stern A., Xia Y., Zhang X. Discovery of intrinsic ferromagnetism in twodimensional van der Waals crystals. Nature. 2017;546(7657):265-269. DOI:10.1038/nature22060.
12. Carteaux V., Brunet D., Ouvrard G., Andre G. Сrystallographic, magnetic and electronic structures of new layered ferromagnetic compound Cr2Ge2Te6. Journal of physics. 1995;7(1):69-87.
13. Sun Y., Xiao R.C., Lin G.T., Zhang R.R., Ling L.S., Ma Z.W., Sheng Z.G. Effects of hydrostatic pressure on spin-lattice coupling in two-dimensional ferromagnetic Cr2Ge2Te6. Applied Physics Letters. 2018;112(7):072409. DOI:10.1063/1.5016568.
14. Chittari B.L., Lee D., MacDonald A.H., Hwang E., Jung J. Carrier and strain tunable intrinsic magnetism in two-dimensional MAX3 transition metal chalcogenides. Physical Review B. 2020;101.
15. Casto L.D., Clune A.J., Yokosuk M.O., Musfeldt J.L., Williams T.J., Zhuang H.L., Mandrus D. Strong spin-lattice coupling in CrSiTe3. APL Materials. 2015;3(4):041515. DOI:10.1063/1.4914134.
16. Lado J.L., Fernández-Rossier J. On the origin of magnetic anisotropy in two dimensional CrI3. 2D Materials. 2017;4(3):035002. DOI:10.1088/2053-1583/aa75ed.
17. Dreizler R., Gross E. Density Functional Theory. New York: Plenum Press; 1995.
18. Kresse G. VASP the guide: tutorial. Austria: University of Vienna; 2003.
19. Das T., Rocquefelte X., Jobic S. Absolute Reference Energy to Realign the Band-edges of Inorganic Semiconductors Using First-principles Calculations. 2020. arXiv:1812.01293.
20. Zhou F., Cococcioni M., Marianetti C.A., Morgan D., Ceder G. First-principles prediction of redox potentials in transition-metal compounds with LDA+U. Physical Review B. 2004;70:235121. DOI:10.1103/PhysRevB.70.235121.
Рецензия
Для цитирования:
Баранова М.С., Проскурова П.А. Электронные свойства квазидвумерных халькогенидов переходных металлов с низкоразмерным магнетизмом. Доклады БГУИР. 2020;18(7):87-95. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-7-87-95
For citation:
Baranava M.S., Praskurava P.A. Electronic properties of quasi two-dimensional transition metals chalcogenides with low-dimensional magnetism. Doklady BGUIR. 2020;18(7):87-95. (In Russ.) https://doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-7-87-95
Просмотров: 353
Послать статью по эл. почте 