[論文レビュー] Dilute magnetic semiconductor and half-metal behaviour mediated by 3d transition-metal doped in black/blue phosphorene

Weiyang Yu, Zhili Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論を用いて、黒リンと青リンにおける3d遷移金属（TM）ドーピングを調査し、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Niドーピングは両相において希磁性半導体（DMS）行動を示すことが判明した。一方、青リンにおけるTiおよびNiドーピングは半金属的性質を示した。磁性行動は、部分的に満たされた非結合性d状態に起因し、ScおよびCoドーピングは完全に占有された結合性状態のため非磁性のままであった。

ABSTRACT

We present first-principles density-functional calculations for the structural, electronic, and magnetic properties of substitutional 3d transition metal (TM) impurities in two-dimensional black and blue phosphorenes. We find that the magnetic properties of such substitutional impurities can be understood in terms of a simple model based on the Hund's rule. The TM-doped black phosphorenes with Ti, V, Cr, Mn, Fe and Ni impurities show dilute magnetic semiconductor (DMS) properties while those with Sc and Co impurities show nonmagnetic properties. On the other hand, the TM-doped blue phosphorenes with V, Cr, Mn and Fe impurities show DMS properties, those with Ti and Ni impurities show half-metal properties, whereas Sc and Co doped systems show nonmagnetic properties. We identify two different regimes depending on the occupation of the hybridized electronic states of TM and phosphorous atoms: (i) bonding states are completely empty or filled for Sc- and Co-doped black and blue phosphorenes, leading to non-magnetic; (ii) non-bonding d states are partially occupied for Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- and Ni-doped black and blue phosphorenes, giving rise to large and localized spin moments. These results provide a new route for the potential applications of dilute magnetic semiconductor and half-metal in spintronic devices by employing black and blue phosphorenes.

研究の動機と目的

• 2次元の黒リンおよび青リンにおける3d遷移金属不純物の構造的・電子的・磁気的性質を調査すること。
• これらのドープ系が希磁性半導体（DMS）または半金属的行動を示す条件を特定すること。
• ハンズ則と混合電子状態に基づいた磁性行動の物理的モデルを確立すること。
• スピンモーメントの局在および電子構造の分析を通じて、スピントロニクス素子の有望候補を同定すること。

提案手法

• 黒リンおよび青リンにおける置換型3d遷移金属ドーピングの電子的および磁気的性質を分析するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 遷移金属のd軌道とリンのp軌道との間の混合電子状態の占有状態を評価し、結合性および非結合性の性質を分類した。
• スピン極性計算を用いて、ドープ系における局在的スピンモーメントの有無および大きさを特定した。
• 完全に満たされたか空の結合状態（非磁性）と、部分的に満たされた非結合性d状態（磁性）の区別に焦点を当てた分析を行った。
• 磁性行動は、ハンズ則に基づくモデルを用いて解釈され、d軌道内の電子相関効果が強調された。
• 構造的および電子的差異を評価するために、黒リンおよび青リン相間の比較的分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの3d遷移金属ドーピングが黒リンおよび青リンにおいて希磁性半導体（DMS）行動を誘発するか？
• RQ2 TMドープリンにおける非磁性系と磁性系を区別する電子構造的特徴は何か？
• RQ3 なぜTiおよびNiドーピングは青リンにおいて半金属的行動を示すのに対し、他のドーピングはDMSまたは非磁性状態を示すのか？
• RQ4 遷移金属のd軌道とリンのp軌道との間の混合性が、磁性および電子的性質にどのように影響するか？
• RQ5 ハンズ則に基づく単純なモデルが、ドープリンにおける観察された磁性モーメントを説明できるか？

主な発見

• 黒リンにおけるTi、V、Cr、Mn、Fe、Niドーピングは、部分的に満たされた非結合性d状態のため、希磁性半導体（DMS）行動を示した。
• 黒リンにおけるScおよびCoドーピングは、結合状態が完全に満たされているため非磁性のままであった。
• 青リンでは、V、Cr、Mn、FeドーピングがDMS行動を示したが、TiおよびNiドーピングはスピンダウンチャネルにギャップを示す半金属的特性を示した。
• 青リンにおけるScおよびCoドーピングは非磁性であり、完全に占有された結合状態と整合的であった。
• DMSおよび半金属的系における磁性モーメントは、局在的で部分的に満たされた非結合性d状態に起因し、ハンズ則と整合的であった。
• 非磁性と磁性の区別は、混合電子状態の占有状態に依存する：満たされた/空の結合状態は非磁性を、部分的に満たされた非結合性状態は大きな局在的スピンモーメントをもたらす。