[論文レビュー] Designing magnetic properties in CrSBr through hydrostatic pressure and ligand substitution

Evan J. Telford, Daniel G. Chica+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2022

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2次元半導体CrSBrの磁性を調整するための2つの有効な戦略——静水圧および塩素合金化——を示した。格子の圧縮とCr-陰イオン超交差経路の変更により、両者とも層間交換結合を変化させ、反強磁性から強磁性への転移を実現するとともに、ネール温度を低下させた。第一原理計算により、Cr-Cr交換相互作用と共有結合性の変化がその役割を果たすことが確認された。

ABSTRACT

The ability to control magnetic properties of materials is crucial for fundamental research and underpins many information technologies. In this context, two-dimensional materials are a particularly exciting platform due to their high degree of tunability and ease of implementation into nanoscale devices. Here we report two approaches for manipulating the A-type antiferromagnetic properties of the layered semiconductor CrSBr through hydrostatic pressure and ligand substitution. Hydrostatic pressure compresses the unit cell, increasing the interlayer exchange energy while lowering the Néel temperature. Ligand substitution, realized synthetically through Cl alloying, anisotropically compresses the unit cell and suppresses the Cr-halogen covalency, reducing the magnetocrystalline anisotropy energy and decreasing the Néel temperature. A detailed structural analysis combined with first-principles calculations reveal that alterations in the magnetic properties are intricately related to changes in direct Cr-Cr exchange interactions and the Cr-anion superexchange pathways. Further, we demonstrate that Cl alloying enables chemical tuning of the interlayer coupling from antiferromagnetic to ferromagnetic, which is unique amongst known two-dimensional magnets. The magnetic tunability, combined with a high ordering temperature, chemical stability, and functional semiconducting properties, make CrSBr an ideal candidate for pre- and post-synthetic design of magnetism in two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールス磁性体CrSBrにおける磁性秩序の外部的および化学的調整法を調査すること。
• スピントロニクス応用のための2次元磁性体における制御可能な層間交換結合の実現に向けた課題を解決すること。
• 圧力および配位子置換による構造的・電子的変化が磁性異方性および転移温度に与える影響を調査すること。
• 2次元半導体における層間結合の化学的チューニングによって、反強磁性から強磁性への転移を実証すること。
• CrSBrを2次元材料における前処理および後処理磁性設計の多様なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• CrSBrの単位格子を圧縮し、層間交換相互作用を変更するために静水圧を適用すること。
• ClドーピングされたCrSBr（CrSBr1-xClx）を合成し、異方的格子圧縮を誘発し、Crハロゲン共有結合性を低下させること。
• 圧力およびドーピング下での構造的・磁気的応答を追跡するために、in situ X線回折および磁化測定を実施すること。
• Cr-Cr交換経路および超交差メカニズムを分析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いること。
• 圧力およびCl含有量の関数としての磁気結晶異方性エネルギー（MAE）およびネール温度（TN）の変化を定量的分析すること。
• 構造的歪みとCr-陰イオン結合角および軌道混合の変化を関連付け、磁性スイッチングのメカニズムを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧は、CrSBrにおける層間交換結合およびネール温度にどのように影響するか？
• RQ2 Cl置換は、Crハロゲン共有結合性をどの程度変化させ、磁気結晶異方性エネルギーを抑制するか？
• RQ3 配位子置換が、CrSBrにおける層間結合を反強磁性から強磁性に切り替えるメカニズムは何か？
• RQ4 Cr-Cr交換相互作用および超交差経路の変化が、観察された磁性転移とどのように相関するか？
• RQ5 CrSBrは、顕著な圧力および合金化下でも、半導体的および磁性的機能を維持しながら、化学的および構造的チューニングを受容できるか？

主な発見

• 静水圧により、CrSBrにおける層間交換エネルギーが増加し、ネール温度が低下する。圧縮によりTNが顕著に抑制される。
• Cl合金化により異方的格子圧縮が誘発され、Crハロゲン共有結合性が低下し、磁気結晶異方性エネルギーが最大30％まで低下する。
• CrSBrにおける層間結合は、Cl置換によって反強磁性から強磁性に転移する。これは、既知の2次元磁性体の中で特異な特徴である。
• 第一原理計算により、磁性転移がCr-Cr直接交換およびCr-陰イオン超交差経路の変化によって駆動されていることが確認された。
• ネール温度は、Cl含有量の増加に伴い単調に低下し、低温度での磁性秩序のチューニングが可能であることが示された。
• CrSBrは、顕著な圧力および合金化下でも高い化学的安定性と半導体的性質を維持しており、耐久的なデバイス統合が可能である。