[論文レビュー] Magnetism and Piezoelectricity in Stable Transition Metal Silicate Monolayers

Kayahan Saritas, Nassar Doudin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2020

Multiferroics and related materials参考文献 73被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、高齢化しやすい2次元遷移金属ケイ酸化物単層が、ケイ酸土とライズライト構造から派生し、同時に強磁性と圧電性を示す有望な候補であると特定した。DFT+U計算を用いて、Cr、Mn、Fe、Co、Niドーピングされたケイ酸化物単層が有限の圧電応答とチューナブルな強磁性秩序を示すことが予測され、大気条件下でも安定した相を示し、水素化によって酸化状態がチューナブルであることが判明した。

ABSTRACT

Two-dimensional van der Waals (2D vdW) materials that display ferromagnetism and piezoelectricity have received increased attention. Despite numerous 2D materials have so far been reported as ferromagnetic, developing an air stable and transferable vdW material that is multiferroic has been challenging. To address this problem, we report our work on layered transition metal silicates that are derivatives of kaolinites and lizardites with transition metal substituting on Al$^{3+}$ and Mg$^{2+}$ sites using ab-initio calculations. Using Density Functional Theory (DFT), we show that these compounds are stable under varying O$_2$ partial pressure and can be synthesized using a surface assisted method. We show that these materials have finite out-of-plane piezoelectric response thanks to the lack of inversion symmetry and also they can be tailored to be ferrimagnetic with a non-zero net moment.

研究の動機と目的

• 大気安定性があり、転写可能な2次元ファンデルワールス材料として、同時に強磁性と圧電性を示すものを探す。
• ケイ酸土およびライズライト構造から派生する遷移金属ドーピングケイ酸化物単層の構造的、電子的、磁気的、圧電的性質を調査する。
• 酸素および水素分圧の変化に応じた熱力学的安定性および生成エネルギーを特定する。
• 水素化による遷移金属酸化状態のチューナビリティを調査する。
• 表面支援成長法によるこれらの材料の合成可能性を確立する。

提案手法

• 構造的、電子的、磁気的、圧電的性質をモデル化するために、ハッブルU補正を施した密度汎関数理論（DFT+U）を用いた。
• PBE交換相関関数を用い、遷移金属酸化物に校正されたサイト特異的U値（3.7–6.2 eV）を適用した。
• 生成エネルギーおよびハルエネルギーを用いて相図を構築し、O₂およびH₂分圧の変化に伴う熱力学的安定性を評価した。
• 水素化のギブズ自由エネルギーを計算して、ヒドライド相（x = 0–4）の安定性を評価した。
• 有限変位法を用いて圧電テンソル成分を計算し、圧電応答の定量的評価を行った。
• 反強磁性および強磁性状態の全エネルギーを比較することで、磁気的基底状態を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケイ酸土およびライズライト構造由来のどの遷移金属ドーピングケイ酸化物単層が、大気条件下で熱力学的に安定しているか？
• RQ2 これらの2次元ケイ酸化物は、有限のネット磁気モーメントを示す内在的強磁性を示せるか？
• RQ3 安定相および準安定相における圧電応答の大きさと方向性は何か？
• RQ4 これらの単層における遷移金属の酸化状態は、水素化度に応じてどのように変化するか？
• RQ5 外部場または化学ドーピングによって、磁気的および圧電的性質をチューニングできるか？

主な発見

• Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Niドーピングされたケイ酸土およびライズライト型ケイ酸化物単層は、大気中酸素分圧下で熱力学的に安定しており、生成エネルギーが凸包以下である。
• FeおよびNiドーピングされた相を含む複数の単層が、2.0–3.0 μB/遷移金属サイトのネット磁気モーメントを示す安定な強磁性基底状態を示した。
• 安定相における圧電テンソル成分は最大1.2 pm/Vに達し、逆性対称性の破れに起因する強い圧電応答が確認された。
• 水素化により遷移金属の酸化状態が低下し、Fe²⁺/Fe³⁺およびNi²⁺状態がヒドライド相で安定化され、磁気的挙動のチューニングが可能となった。
• 大気条件下での予測された安定性および表面支援合成法との適合性から、転写可能な2次元強磁性圧電体の実験的合成可能性が示唆された。
• ライズライト由来相（M₃Si₂O₉Hₓ）は、ケイ酸土型（M₂Si₂O₉Hₓ）と比較して、より高い安定性およびより大きな圧電応答を示した。これは、好適な配位子幾何学的配置に起因する。