Abstract

The CrBr<sub>3</sub> monolayer is a two-dimensional semiconductor material with intrinsic ferromagnetism. However, the low Curie temperature of CrBr<sub>3</sub> monolayer limits its practical development in innovative spintronic devices. The electronic and magnetic properties of transition-metal atoms doped CrBr<sub>3</sub> monolayer have been systematically investigated by using the density functional theory calculations. The formation energy elucidates that all 3d transition metal (TM) atoms prefer to be doped in the middle of a hexagon (H) site of CrBr<sub>3</sub> monolayer. And all the TM atoms, except the Zn atom, can bond strongly to the surrounding Cr atoms with sizable formation energy. The results also indicate that the magnetic moment of TM-CrBr<sub>3</sub> system changes as a result of the charge transfer between TM atom and adjacent Cr atom. In addition, comparing with the intrinsic CrBr<sub>3</sub>, the <i>T</i><sub>C</sub> of TM-CrBr<sub>3</sub> system increases significantly, which means that the ferromagnetic stability of CrBr<sub>3</sub> monolayer is enhanced. In particular, the <i>T</i><sub>C</sub> of CrBr<sub>3</sub> with Sc atom can be increased by 159%. The enhancement of ferromagnetism is mainly due to the competition between the direct exchange and the superexchange interaction. We also find that the electronic properties of the TM-CrBr<sub>3</sub> systems are diverse. For example, Sc-, Ti-, V-, Mn-, Fe-, Co-, Ni-, Cu- and Zn-CrBr<sub>3</sub> exhibit spin gapless semiconductor (SGS) properties with 100% spin polarization at Fermi level. The TM-CrBr<sub>3</sub> system can be adjusted from semiconductor to half-metal when Cr atoms are doped into the CrBr<sub>3</sub> monolayer. This work, together with recent achievements in the field of two-dimensional ferromagnetic materials, provides an experimentally achievable guide for realizing the preparation of TM-CrBr<sub>3</sub> system with high Curie temperature. Moreover, the possibility of application of these systems in nanoelectronics and spintronics is increased.

Highlights

  • 掺杂是调控二维材料电学和磁学性能的最常用方法之一.例如,Cheng 等人 [28]基于第一性原理方法预测了 Mn、Fe、Co 和 Zn 原子掺杂可以使单层 MoS2 产 生磁性.Li 等人[29]采用化学气相输运法成功制备了铁掺杂的 SnS2 单晶,利用振 动样品磁强计 (VSM) 观察到了铁磁性,测得居里温度为 31 K.同样地,第一性 原理方法预测铜掺杂可以将单层 ZnO 转变为半金属铁磁体[30].碱金属掺杂显著 增加了单层 Cr2Ge2Te6 的磁各向异性和居里温度,实现了铁磁稳定性的增强[31].锂 原子的掺杂可以提升 CrI3 体系的磁矩和居里温度,从而实现 CrI3 铁磁稳定性的.

  • 摘 要 近年来,二维铁磁材料由于其在自旋电子学领域中十分广阔的应用前景受到 广泛关注.单层 CrBr3 是具有本征铁磁性的半导体,是自旋电子器件的潜在 候选材料.然而,单层 CrBr3 的居里温度较低,限制了其在自旋电子器件领 域的应用.本文基于密度泛函理论 (DFT),研究了 3d 过渡金属 (TM) 原子 (Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 和 Zn) 掺杂单层 CrBr3 的磁学和电 学性能.计算结果表明, TM 原子掺杂后,体系总磁矩呈现先增加再减小的 趋势.并且 TM 原子掺杂能够显著提高单层 CrBr3 的居里温度 (TC),实现了 铁磁稳定性的增强.其中,Sc 掺杂 CrBr3 体系的 TC 与本征 CrBr3 相比提高了 159%.铁磁稳定性的增强归因于掺杂体系 (TM-CrBr3) 中直接交换和超交换 相互作用之间的竞争.此外,依赖于不同的 TM 原子掺杂,TM-CrBr3 体系表 现出半金属性和自旋零带隙半导体 (SGS) 性质.本文的研究结果为单层 CrBr3 在纳米电子和自旋电子器件中的应用开辟了新的前景.

  • 本文基于密度泛函理论,研究了 3d 过渡金属掺杂对单层 CrBr3 电学和磁学 性能的影响.研究发现,过渡金属掺杂可以显著增强单层 CrBr3 的铁磁稳定性, 这主要归因于直接交换和超交换相互作用之间的竞争.此外,依赖于不同的 TM

Read more

Summary

Introduction

掺杂是调控二维材料电学和磁学性能的最常用方法之一.例如,Cheng 等人 [28]基于第一性原理方法预测了 Mn、Fe、Co 和 Zn 原子掺杂可以使单层 MoS2 产 生磁性.Li 等人[29]采用化学气相输运法成功制备了铁掺杂的 SnS2 单晶,利用振 动样品磁强计 (VSM) 观察到了铁磁性,测得居里温度为 31 K.同样地,第一性 原理方法预测铜掺杂可以将单层 ZnO 转变为半金属铁磁体[30].碱金属掺杂显著 增加了单层 Cr2Ge2Te6 的磁各向异性和居里温度,实现了铁磁稳定性的增强[31].锂 原子的掺杂可以提升 CrI3 体系的磁矩和居里温度,从而实现 CrI3 铁磁稳定性的. 摘 要 近年来,二维铁磁材料由于其在自旋电子学领域中十分广阔的应用前景受到 广泛关注.单层 CrBr3 是具有本征铁磁性的半导体,是自旋电子器件的潜在 候选材料.然而,单层 CrBr3 的居里温度较低,限制了其在自旋电子器件领 域的应用.本文基于密度泛函理论 (DFT),研究了 3d 过渡金属 (TM) 原子 (Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 和 Zn) 掺杂单层 CrBr3 的磁学和电 学性能.计算结果表明, TM 原子掺杂后,体系总磁矩呈现先增加再减小的 趋势.并且 TM 原子掺杂能够显著提高单层 CrBr3 的居里温度 (TC),实现了 铁磁稳定性的增强.其中,Sc 掺杂 CrBr3 体系的 TC 与本征 CrBr3 相比提高了 159%.铁磁稳定性的增强归因于掺杂体系 (TM-CrBr3) 中直接交换和超交换 相互作用之间的竞争.此外,依赖于不同的 TM 原子掺杂,TM-CrBr3 体系表 现出半金属性和自旋零带隙半导体 (SGS) 性质.本文的研究结果为单层 CrBr3 在纳米电子和自旋电子器件中的应用开辟了新的前景. 本文基于密度泛函理论,研究了 3d 过渡金属掺杂对单层 CrBr3 电学和磁学 性能的影响.研究发现,过渡金属掺杂可以显著增强单层 CrBr3 的铁磁稳定性, 这主要归因于直接交换和超交换相互作用之间的竞争.此外,依赖于不同的 TM (b) Band structure and density of states of CrBr3 monolayer.

Results
Conclusion
Full Text
Published version (Free)

Talk to us

Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have

Schedule a call