[論文レビュー] A Theoretical Prediction on the Intrinsic Half-Metallicity in the Surface-Oxygen-Passivated Cr2N MXene

Guo Wang|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2016

MXene and MAX Phase Materials被引用数 4

ひとこと要約

この理論的研究では、密度汎関数理論を用いて、表面酸素終末化されたCr2NO2 MXeneにおける内在的半金属性を予測している。この材料は完全にスピン極化されたギャップを示す強磁性状態を示し、外部バイアス下でも半金属的性質を維持するため、原子的に清浄な表面を必要としない、スピントロニクス応用に耐えうる強固な候補である。

ABSTRACT

Two-dimensional Cr2N MXene as well as the surface-passivated Cr2NF2, Cr2N(OH)2 and Cr2NO2 are investigated by using density functional theory. The Cr2N is an anti-ferromagnetic metal. The F atom or OH group-passivation does not change the anti-ferromagnetic characteristics. However, Cr2NO2 has a ferromagnetic ground state, which is a half-metal. The half-metallicity of Cr2NO2 is still robust when bias is applied to the nanometer sized device. The half-metallicity is intrinsic and does not require atomically clean surfaces. Therefore the stable surface-oxygen-passivated MXene is a good candidate for spintronics.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、Cr2Nおよびその表面終末化誘導体の電子的および磁気的性質を調査すること。
• F、OH、またはO原子による表面終末化が、Cr2N MXeneの磁気的および電子的性質に与える影響を特定すること。
• Cr2NO2がスピントロニクス応用のための半金属的材料としての可能性を検討すること。
• 外部バイアス条件下での半金属性の安定性および強度を評価すること。
• 原子的に清浄な表面を必要としない条件下でも、内在的半金属性が実現可能かどうかを検証すること。

提案手法

• Cr2N、Cr2NF2、Cr2N(OH)2、およびCr2NO2の電子構造および磁気的性質を分析するために、密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• Cr2Nベースの系における電子相関を正確に記述するため、一般化勾配近似（GGA）とDFT+U法が用いられた。
• 磁気的基底状態およびバンド構造のスピン分裂を評価するために、スピン極化計算が実施された。
• 外部電界を加えたナノスケールデバイスモデルを用いて、バイアス下での半金属性の安定性がテストされた。
• 異なる終端原子（F、OH、O）の役割を理解するために、表面終末化効果が体系的に比較された。
• スピンギャップが少数スピンチャネルに完全に存在することを確認するために、電子バンド構造および状態密度が分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素原子による表面終末化が、Cr2N MXeneに半金属性を誘導するか？
• RQ2 Cr2NO2における半金属的状態は、外部電界バイアス下でも安定か？
• RQ3 原子的に清浄な表面を必要としない条件下でも、内在的半金属性が達成可能か？
• RQ4 Cr2NO2の磁気的基底状態は、純粋なCr2Nおよび他の終末化バージョンと比較してどのように異なるか？
• RQ5 表面終端が強磁性半金属的状態を安定化させる役割を果たすか？

主な発見

• Cr2NO2は完全にスピン極化されたギャップを示す強磁性基底状態を示し、内在的半金属性が確認された。
• Cr2NO2における半金属的ギャップは、外部バイアスを加えても開いたまま維持され、ナノスケールデバイスにおける耐性を示している。
• 表面酸素終端化は、原子的に清浄な表面を必要とせず、半金属的状態を安定化させる。
• 外部電界が加えられても半金属性が保持されることから、デバイス適合性が示された。
• Cr2NおよびF/OH終端化形は、Cr2NO2とは異なり反強磁性金属の性質を示すのに対し、Cr2NO2は半金属となる。
• 予測された半金属的性質は、欠陥や表面再配置ではなく、酸素終端化に起因する内在的電子構造の変化に起因する。