Электронные свойства квазидвумерных халькогенидов переходных металлов с низкоразмерным магнетизмом

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.

ab initio моделирование, теория функционала плотности, наноразмерный магнетизм, ферромагнетизм

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.