[論文レビュー] Half-Semiconductor antiferromagnets and Spin-Gapless-Semiconductor antiferromagnets

Junjie He, Pan Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同一スピンチャンネルにおける完全スピン極化された価電子帯および伝導帯と、ゼロのネット磁化モーメントを有する半導体反強磁性体（HSCAF）およびスピンギャップレス半導体反強磁性体（SGSAF）を提案する。DFT+U計算を用いて、ボロンナイトライドにFeとCrをドープし、二重バキュアンシーを有する系（BN-DV）が、遷移金属の反強磁性結合によってHSCAFおよびSGSAF状態を達成することを示した。これにより、ネット磁化がなくともスピントロニクス応用が可能となる。

ABSTRACT

We propose a concept of half-semiconductor antiferromagnets in which both spin-polarized valence and conduction bands belong to the same spin channel with completely compensated spontaneous magnetization. Using density functional theory plus Hubbard U (DFT+U) methods, we find a viable approach to achieve the half-semiconductor antiferromagnets through the transition metal (TM) Fe and Cr codoped boron nitride(BN) sheet. Moreover, spin gapless semiconductor antiferromagnets with zero magnetic moment are also achieved in such systems.

研究の動機と目的

• 価電子帯および伝導帯の両方で完全スピン極化を示すが、ネット磁化がゼロの新しい反強磁性半導体の設計。
• スピンギャップレス半導体反強磁性体（SGSAF）および半導体反強磁性体（HSCAF）の実験的実現の不足を解消すること。
• FeとCrを共ドーピングしたB-N二重バキュアンシーを有するBNを、これらの特異な磁気状態を支持する実現可能な材料プラットフォームとして同定すること。
• FeとCrイオン間の反強磁性結合が、磁化モーメントの完全な相殺を実現するとともにスピン極化を維持できることを示すこと。
• 弱いスピン軌道結合と単純な構造を有する2次元モノレイヤー系として、HSCAFおよびSGSAFの実験的実現に適した条件を提供すること。

提案手法

• FeとCr共ドーピングBN-DV系の電子的および磁気的性質をモデル化するために、ハーブスU補正を施した密度汎関数理論（DFT+U）を用いた。
• 構造的安定性を確保するため、110原子を含むスーパーセルを用いて、モノレイヤーBN内のB-N二重バキュアンシーにおけるFeおよびCrの置換をシミュレートした。
• スピン電荷密度（SCD）およびKohn-Sham応答関数を用いて磁気的結合を分析し、等値面の閾値を0.005 e/ųに設定した。
• Fe²⁺およびCr²⁺イオン間の仮想電子遷移を考慮したd軌道エネルギー準位の簡略化モデルを用いて、交換相互作用を評価した。
• FeとCrイオン間の反強磁性結合の安定化を説明するため、ダブルエクスチェンジ機構を適用した。
• 価電子帯最大値（VBM）および伝導帯最小値（CBM）におけるバンド構造およびスピン極化度を評価し、同一スピンチャンネルにおける100％のスピン極化を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全スピン極化帯とゼロのネット磁化モーメントを有する半導体反強磁性体（HSCAF）が、実際の物質で実現可能か？
• RQ2 遷移金属共ドーピングを施した2次元、広いバンドギャップ半導体で、スピンギャップレス半導体反強磁性体（SGSAF）が達成可能か？
• RQ3 Fe-Cr共ドーピングBN-DV系で、磁化モーメントの完全相殺を実現しつつスピン極化を維持する磁気的結合機構は何か？
• RQ4 Fe²⁺とCr²⁺の異なる交換スピン分裂挙動が、VBMおよびCBMの両方で共通のスピンチャンネルを形成する上で果たす役割は何か？
• RQ5 弱いスピン軌道結合と単純な格子構造を有する2次元BN-DV系が、Fe/Cr共ドーピングによってHSCAFおよびSGSAFの実験的実現に適した候補と見なせるか？

主な発見

• B-N二重バキュアンシーを有するFeとCr共ドーピングBN（BN-DV）は、同一スピンチャンネルを介して、価電子帯および伝導帯の両方で100％のスピン極化を示す半導体反強磁性体（HSCAF）状態を達成する。
• Fe²⁺およびCr²⁺イオン間の反強磁性結合により、それぞれ4 μBの磁化モーメントを有するが、完全に相殺され、ネット磁化がゼロとなる。
• 同じFe-Cr共ドーピングBN-DV系において、スピンギャップレス半導体反強磁性体（SGSAF）状態が実現され、多数スピンチャンネルでフェルミ準位にギャップレスな交差が観察された。
• ダブルエクスチェンジ機構により、FeとCrイオン間の反強磁性結合が安定化され、追加のHund則のエネルギー的コストを回避した。
• Fe²⁺の逆交換スピン分裂（多数スピンが高エネルギー準位に）とCr²⁺の逆交換スピン分裂（多数スピンが低エネルギー準位に）が、VBMおよびCBMの両方で共通の多数スピンチャンネルを形成した。
• 弱いスピン軌道結合と単純な格子構造を有するモノレイヤーBN-DV構造は、HSCAFおよびSGSAFの実験的実現に好適なプラットフォームを提供する。これは、従来のバルクHMAF系とは対照的である。