[論文レビュー] Magnetic Properties of Transition-Metal Adsorbed ot-Phosphorus Monolayer: A First-principles and Monte Carlo Study

Zengyao Wang, Qingyun Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2017

Graphene research and applications参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算およびモンテカルロシミュレーションを用いて、八角形四角形リン窒化物（ot-P）上に3d遷移金属（TM）接着原子がもつ磁性を調査した。5%被覆率で八角形の中心にVをドープしたot-Pは、173 KのCurie温度を示す安定な二次元希薄フェロ磁性体であり、局所的磁気モーメントが強く、磁気結合が調整可能であるため、スピントロニクス応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Using the first-principles and Monte Carlo methods, here we systematically study magnetic properties of monolayer octagonal-tetragonal phosphorus with 3d transition-metal (TM) adatoms. Different from the puckered hexagonal black phosphorus monolayer (phosphorene or $α$-P), the octagonal-tetragonal phase of 2D phosphorus (named as ot-P or $ε$-P in this article) is buckled with octagon-tetragon structure. Our calculations show that all TMs, except the closed-shell Zn atom, are able to strongly bind onto monolayer $ot$-P with significant binding energies. Local magnetic moments (up to 6 $μ$B) on adatoms of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe and Co originate from the exchange and crystal-field splitting of TM 3d orbitals. The magnetic coupling between localized magnetic states of adatoms is dependent on adatomic distances and directions. Lastly, the uniformly magnetic order is investigated to screening two-dimensional dilute ferromagnets with high Curie temperature for applications of spintronics. It is found that ot-P with V atoms homogeneously adsorbed at the centre of octagons with a concentration of 5% has the most stable ferromagnetic ground state. Its Curie temperature is estimated to be 173 K using the Monte Carlo method.

研究の動機と目的

• 新規2次元リン相ot-P（通常のブラックリンと異なるボクルド八角形四角形構造）における3d遷移金属接着原子の磁気的性質を調査すること。
• TMドープot-P単層の安定性および磁気的秩序状態を評価し、局所的磁気モーメントと接着原子間結合を焦点とする。
• 2次元材料における高Curie温度フェロ磁性の実現可能性をスピントロニクス応用の観点から評価すること。
• フェロ磁性基底状態を安定化させる最適なドーピング配置および濃度を同定すること。

提案手法

• TM接着原子の結合エネルギー、電子構造、磁気モーメントを計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• スピン極性DFT計算により、TM 3d軌道の交換相互作用および結晶場分裂を分析し、局所的磁気モーメントを特定した。
• 接着原子間の磁気結合は、原子間距離および相対的配置に基づいて評価され、幾何的配置に依存することが判明した。
• 異なるドーピング濃度下でのフェロ磁性状態のCurie温度（T_C）を推定するためにモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 強固な結合性および望ましい磁気的性質を示すTM元素のスクリーニングを、14種類のTM元素（ScからZnまで）を対象として体系的に行った。
• 異なるドーピングサイトおよび濃度における全エネルギーと磁気秩序状態を比較することで、最も安定なフェロ磁性構造を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの3d遷移金属接着原子がot-P単層上に強く結合し、顕著な局所的磁気モーメントを示すか？
• RQ2 TM接着原子間の磁気結合は、ot-P格子内での原子間距離および空間的配置にどのように依存するか？
• RQ3 TMドープot-Pにおけるフェロ磁性基底状態のCurie温度は何か？また、最適なドーピング濃度およびサイト選択によって向上可能か？
• RQ4 ot-Pは、スピントロニクス応用に適した安定な二次元希薄フェロ磁性相を有するか？
• RQ5 どのTMドープot-P構造がフェロ磁性秩序に対して最も高い熱的安定性を示すか？

主な発見

• Znを除くすべての3d遷移金属がot-P単層に強く結合しており、結合エネルギーから高い安定性が示された。
• Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Coの接着原子では、3d軌道の交換および結晶場分裂により最大6 μBの局所的磁気モーメントが観測された。
• 接着原子間の磁気結合は原子間距離および相対的配置に敏感であり、最適な間隔でフェロ磁性的整列が有利に働くことが判明した。
• 八角形の中心に5%被覆率でVをドープしたot-P系が、最も安定なフェロ磁性基底状態を示した。
• モンテカルロシミュレーションにより、このVドープ系のCurie温度は173 Kと推定された。室温応用の可能性は、さらなる向上によって実現可能であると考えられる。
• Znは閉殻構造であるが、弱い結合性と顕著な磁気的性質の欠如を示し、フェロ磁性の誘導には不適切であることが確認された。