Низкоразмерный магнетизм в соединениях с различной размерностью магнитного взаимодействия

В статье представлены результаты исследования условия формирования низкоразмерного магнитного порядка. Обоснован выбор кристалла ZnO в качестве полупроводниковой немагнитной матрицы для формирования квазиодномерных и квазинульмерных магнитных систем путем внедрения примесных атомов Cr, Mn, Fe, Co и Ni. Структурные параметры, электронные и магнитные свойства рассчитывались на атомном уровне в рамках квантово-механического моделирования, интегралы обменного взаимодействия – на микроскопическом уровне с использованием модели Гейзенберга. Определение механизмов обменного взаимодействия осуществлялось на основе выявленных зависимостей значений интеграла обменного взаимодействия от структурных и электронных свойств. Обобщены результаты исследования механизмов обменного взаимодействия в двумерных магнитных системах, формирующихся в материалах группы MAX₃ (M = Cr, Fe, A = Ge, Si, X = S, Se, Te). Установленные механизмы обеспечили возможность сравнения условий формирования ферромагнитного порядка в системах с различной размерностью магнитного взаимодействия, в частности показано, что ферромагнитный порядок во всех изучаемых структурах формируется за счет косвенного суперобменного взаимодействия между орбиталями разной симметрии. Установлено, что для формирования устойчивого высокотемпературного ферромагнетизма необходимо применять стратегии, направленные на усиление суперобменного взаимодействия между орбиталями разной симметрии либо уменьшение вкладов обменного взаимодействия между орбиталями одной симметрии.

1. Cortie D.L., Causer G.L., Rule K.C., Fritzsche H., Kreuzpaintner W., Klose F. Two-dimensional magnets: forgotten history and recent progress towards spintronic applications. Advanced Functional Materials, 2020;30(18):1901414.

2. Sierra J.F., Fabian J., Kawakami R.K., Roche S., Valenzuela S.O. Van der Waals heterostructures for spintronics and opto-spintronics. Nature Nanotechnology. 2021;16(8):856-868.

3. Coey John MD. Magnetism and magnetic materials. Cambridge university press; 2010.

4. Xiao R., Kuz’min M.D., Koepernik K., Richter M. CoIr-carbon complexes with magnetic anisotropies larger than 0.2 eV: A density-functional-theory prediction. Applied Physics Letters. 2010;97(23):232501.

5. Sun Y., Xiao R.C., Lin G.T., Zhang R.R., Ling L.S., Ma Z.W., Luo X., Lu W.J., Sun Y.P., Sheng Z.G. Effects of hydrostatic pressure on spin-lattice coupling in two-dimensional ferromagnetic Cr2Ge2Te6. Applied Physics Letters. 2018;112(7):072409.

6. Lee J.U., Lee S., Ryoo J.H., Kang S., Kim T.Y., Kim P., Park C.H., Park J.G., Cheong H. Ising-type magnetic ordering in atomically thin FePS3. Nano letters. 2016;16(12):7433-7438.

7. Armah, E. N. A. A., Egblewogbe, M., Koffi, H. A., Yankson, A. A., Ampong, F. K., Boakye, F., Ametefee Amuzu J. K., Nkum, R. K. Solubility of Mn in ZnO crystallites synthesized using solid state techniques. Advanced Nano Researc. 2020;3(1):28-39.

8. Borysiewicz M.A. ZnO as a functional material, a review. Crystals. 2019;9(10):505.

9. Huang B., Clark G., Navarro-Moratalla E., Klein D.R., Cheng R., Seyler K.L., Zhong D., Schmidgall E., McGuire M., Cobden D., Yao W., Xiao D., Pablo Jarillo-Herrero P., Xu X. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 2017;546(7657):270-273.

10. Engel E., Dreizler R.M. Density functional theory. Theoretical and mathematical physics. 2011:351-399.

11. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a planewave basis set. Physical review B. 1996;54(16):11169.

12. Mermin N.D., Wagner H. Absence of ferromagnetism or antiferromagnetism in one-or two-dimensional isotropic Heisenberg models. Physical Review Letters. 1966;17(22):1133.

13. Rassekh M., He J., Shayesteh S.F., Palacios J.J. Remarkably enhanced Curie temperature in monolayer CrI3 by hydrogen and oxygen adsorption: A first-principles calculations. Computational Materials Science. 2020;183:109820.

14. Baranava M.S., Danilyuk A.L., Stempitsky V.R. Direct exchange interaction of cobalt chains in zinc oxide: model approach. Materials Physics & Mechanics. 2018;39(1):15-20.

15. Baranava M.S. Influence of exchange-correlation functional on the structural and electronic properties of periodic structures with transition metal atoms. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2021;19(8):87-91.