[論文レビュー] Prediction of 2D ferromagnetism and monovalent europium ions in EuBr/graphene heterojunctions

Haoyi Tan, Guangcun Shan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Graphene research and applications参考文献 31被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、2次元EuBr/グラフェンヘテロジャンクションが、1Eu原子あたりほぼ7.0 μBの内在的フェロマグネティズムを示し、強いカチオン-π相互作用によって一価ランノセミウム（Eu⁺）イオンが安定化することを予測している。密度汎関数理論（DFT）およびモンテカルロシミュレーションを用いて、強化された金属性、高いキュリー温度（約7 K）、および外部ひずみおよびドーピングによる調整可能性を示し、大気圧溶液法を用いた2次元スピントロニクス材料の合成への道筋を示している。

ABSTRACT

Europium, one of the rare earth elements, exhibits +2 and +3 valence states and has been widely used for magnetic modification of materials. Based on density functional theory calculations, we predict the 2D EuBr/graphene heterojunctions to exhibit metallicity, huge intrinsic-ferromagnetism nearly 7.0 {\mu}B per Eu and the special monovalent Eu ions. Electron localization function (ELF), difference charge densities and Bader charge analyses demonstrate that there are cation-{\pi} interactions between the EuBr films and graphene, which explains the stability of these unusual heterojunctions. Graphene works as substrate to enable the stability of EuBr monolayer crystals where EuBr plays an important role to yield ferromagnetism and enhance metallicity in the heterojunctions. Monte Carlo simulations are used to estimate a Curie temperature of about 7 K, which, together with magnetic configurations, can be further modulated by external strains and charge-carrier doping. In general, our theoretical work predicts the properties of the novel 2D ferromagnetic EuBr/graphene heterojunctions, suggests the possibility of combining the 2D intrinsic-ferromagnetic metal halide crystals and graphene, and opens up a new perspective in next-generation electronic, spintronic devices and high-performance sensors.

研究の動機と目的

• 2次元EuBr/グラフェンヘテロジャンクションの安定性および磁気的性質を調査すること。
• 2次元ヘテロ構造における一価ランノセミウム（Eu⁺）イオンの生成メカニズムを調査すること。
• 2次元遷移金属ハライド/グラフェン系における内在的フェロマグネティズムおよび金属性の可能性を評価すること。
• 外部ひずみおよびキャリアドーピングによる磁気的および電子的性質の調整可能性を評価すること。
• 最近のCaCl/グラフェンの成功にインspiredした、飽和溶液法を用いた実現可能な合成経路を提案すること。

提案手法

• ヴァン・デル・ワールス相互作用を補正するためのPBE-GGA汎関数およびDFT-D3補正を用いた密度汎関数理論（DFT）。
• 強い電子相関を反映するため、Eu 4f電子にHubbard U-J = 6.0 eVを導入した。
• すべての電子的および磁気的計算においてスピン軌道結合（SOC）を含めた。
• キュリー温度の推定および外部摂動下での磁気的安定性の検証に、モンテカルロシミュレーションを用いた。
• 結合の性質および電荷移動を解明するために、電子局在関数（ELF）、電荷密度差分、およびバーダー電荷解析を実施した。
• 運動的・熱的・機械的・熱力学的安定性を確認するため、フォノン分散、AIMD、ボーン弾性安定性、および架橋エネルギー解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元EuBr単層はグラフェンと安定なヘテロジャンクションを形成できるか？その安定化要因は何か？
• RQ2 EuBr/グラフェンヘテロジャンクションは内在的フェロマグネティズムを示すか？1Eu原子あたりの磁気モーメントはどの程度か？
• RQ3 ヘテロジャンクションにおけるランノセミウムの酸化状態は何か？一価Eu⁺は安定化されるか？
• RQ4 外部ひずみまたは電荷ドーピングは、キュリー温度および磁気異方性にどのように影響するか？
• RQ5 CaCl/グラフェンと同様に、単純な飽和溶液法によるEuBr/グラフェンヘテロジャンクションの合成が可能か？

主な発見

• EuBr/グラフェンヘテロジャンクションは、1Eu原子あたりほぼ7.0 μBの磁気モーメントを示しており、未対電子を有する4f電子に起因する強い内在的フェロマグネティズムを示している。
• キュリー温度は約7 Kと推定され、外部ひずみおよび電荷ドーピングによる調整が可能である。
• モンテカルロシミュレーションの結果、5%の圧縮ひずみではキュリー温度が10 Kに上昇し、5%の引張りひずみでは2 Kに低下することが判明した。
• 5%の圧縮ひずみ下では、磁気異方性エネルギーが面内から面外に反転し、磁気異方性の調整可能性が示された。
• ELF、電荷密度差分、およびバーダー解析により、Eu²⁺イオンとグラフェンの芳香族環との間のカチオン-π相互作用が確認され、一価Eu⁺状態の安定化が裏付けられた。
• EuBrは電子供与体として機能し、フェルミ準位をシフトさせ、ヘテロジャンクションにおける金属性を強化した。また、Eu 2pz軌道の寄与により、ディラック点がシフトした。