[論文レビュー] High Curie temperature half metallic 2D M2Se3 (M = Co, Ni, and Pd) monolayers with superior mechanical flexibility

Peng Lv, Gang Tang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2018

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 77被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて二酸化物M2Se3単層（M = Co, Ni, Pd）を調査し、Co2Se3がCurie温度700 Kを超える半金属的フェルミ磁性を示し、特異な湾曲したハッチング構造のおかげで機械的柔軟性が極めて高く、従来の2次元材料の2倍にのぼる臨界ひずみを示すことが判明した。これにより、高密度で柔軟なスピントロニクス素子への応用が極めて有望である。

ABSTRACT

Pursuing two-dimensional (2D) intrinsic ferromagnetism with high Curie temperature and great mechanical flexibility has attracted great interest in flexible spintronics. In the present work, we carried out a density functional theory (DFT) investigation on the 2D M2Se3 (M=Co, Ni and Pd) monolayers to understand their structural stabilities, electronic, magnetic and mechanical properties. Our results show that the Co2Se3 monolayer exhibits a fascinating half-metallic ferromagnetism with high Curie temperature (>700K). In addition, due to their unique buckling hinge-like structure, M2Se3 monolayers possess the large out-of-plane negative Poisson's ratio (NPR) and superior mechanical flexibility evidenced by their unusual critical strain two times greater than the well-known 2D materials. These findings imply that 2D M2Se3 family is the promising materials for the applications in the flexible and high-density spintronic nanodevices.

研究の動機と目的

• 2次元M2Se3単層（M = Co, Ni, Pd）の構造的・電子的・磁気的・機械的性質を調査し、柔軟スピントロニクス応用への可能性を検討すること。
• 室温およびそれ以上の温度で動作可能な高Curie温度を有する内在的2次元フェルミ磁性体を同定すること。
• M2Se3単層の破壊に対する耐性を含めた機械的柔軟性を評価すること。
• これらの材料が半金属的性質を示すかどうかを特定し、スピントロニクス応用に不可欠な100％スピン偏極を実現できるかを検証すること。
• M2Se3が、磁気的・機械的安定性に優れた高密度で柔軟なナノエレクトロニクス素子のプラットフォームとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 電子的および磁気的性質の計算に、一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 電子-イオン相互作用にはプロジェクターアニフィケーション波（PAW）法を用い、ブリユアンゾーンのサンプリングには12×12×1のkポイントメッシュを採用した。
• 構造的安定性は生成エネルギーおよびフォノン分散関数の計算により評価した。
• 機械的性質は、一軸ひずみ下での面内弾性率およびポアソン比を用いて分析した。
• 臨界ひずみは、系が機械的に不安定になるまで一様引張ひずみを段階的に増加させることで計算した。
• 半金属的性質の評価にはスピン偏極バンド構造解析を用い、スピンダウンチャネルにギャップが存在することを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M2Se3単層（M = Co, Ni, Pd）は、高Curie温度を有する内在的2次元フェルミ磁性を示すか？
• RQ2 M2Se3単層の機械的柔軟性、特に臨界ひずみおよびポアソン比はいかほどか？
• RQ3 これらの材料は半金属的性質を示すか？これはスピントロニクス応用の可能性を示唆する。
• RQ4 特異な湾曲したハッチング構造が、機械的および電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 これらの材料は構造的破壊を伴わずに大きな変形に耐えうるか？これにより、柔軟デバイス統合が可能となるか？

主な発見

• Co2Se3単層は、Curie温度が700 Kを超える半金属的フェルミ磁性を示し、高温スピントロニクス応用の可能性を示している。
• すべてのM2Se3単層（Co, Ni, Pd）は、顕著な面外方向の負のポアソン比（NPR）を示しており、異常な機械的柔軟性と高い柔軟性を示している。
• M2Se3単層の臨界ひずみは、グラフェンを含む従来の2次元材料の約2倍に達しており、優れた機械的頑丈さを示している。
• 特異な湾曲したハッチング構造が、強化された機械的柔軟性および負のポアソン比挙動の原因である。
• フォノン分散関数の計算により、すべてのM2Se3単層が構造的安定性を示しており、虚数モードは観察されなかった。
• Co2Se3のスピン偏極バンド構造は、スピンダウンチャネルに明確なバンドギャップおよびスピンアップチャネルに金属的挙動を示しており、半金属的性質が確認された。