[論文レビュー] Tunable Magnetic Semiconductor Behavior Driven by Half-Filled One Dimensional Band in Zigzag Phosphorene Nanoribbons

Yongping Du, Huimei Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2014

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 60

ひとこと要約

本研究は、フェルミ準位付近の半分満たされた一次元バンドにおける電子的不安定性によって駆動される、ねずみ返しリンパネートナノリブ（ZPNRs）に安定した反強磁性絶縁体状態が存在することを明らかにした。中程度の圧縮ひずみを加えることで、磁性半導体から非磁性金属へのチューナブルな遷移が誘発され、ZPNRsがひずみ駆動型スピントロニクスおよびナノエレクトロニクス素子の有望なプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

An antiferromagnetic insulating state has been found in the zigzag phosphorene nanoribbons (ZPNRs) from a comprehensive density functional theory calculations. Comparing with other one-dimensional systems, the magnetism in ZPNRs display several surprising characteristics: (i) the magnetic moments are antiparallel arranged at each zigzag edge; (ii) the magnetism is quite stable in energy (about 29 meV/magnetic-ion) and the band gap is big (about 0.7 eV); (iii) a moderate compressive strain will induce a magnetic to nonmagnetic as well as semiconductor to metal transition. All of these phenomena arise naturally due to one unique mechanism, namely the electronic instability induced by the half-filled one dimensional bands which cross the Fermi level at around π/2a. The unusual electronic and magnetic properties in ZPNRs endow them great potential for the applications in nanoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、ねずみ返しリンパネートナノリブ（ZPNRs）の電子的および磁気的性質を調査すること。
• ZPNRsにおける磁性の起源と外部の摂動に対する安定性を理解すること。
• 機械的ひずみを用いた磁性および電子的相のチューニングの可能性を調査すること。
• 一次元バンドの満たされ具合と電子的不安定性が、顕在する磁性秩序をどのように駆動するかを特定すること。
• チューナブルなバンドギャップと磁性遷移に基づいて、ZPNRsのナノエレクトロニクスおよびスピントロニクス素子への応用可能性を評価すること。

提案手法

• 電子構造および磁気的性質を計算するために、一般化勾配近似（GGA）を用いたスピン極性密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• フェルミ準位を通過する半分満たされた一次元バンドに注目し、バンド分散およびフェルミ面トポロジーを分析した。
• 構造的緩和とエネルギー最小化を実施し、ZPNRsの基底状態構造を特定した。
• ナノリブ方向に一軸圧縮ひずみを適用し、相転移を調査した。
• 磁気モーメントおよびバンドギャップを計算することで、安定性および電子的応答を定量した。
• 強い相関系における自己相互作用誤差を補正するため、DFT+U法を用い、磁性状態の正確な記述を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねずみ返しリンパネートナノリブにおける反強磁性絶縁体状態の起源は何か？
• RQ2 π/(2a)付近の半分満たされた一次元バンドは、ZPNRsの磁気的および電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 圧縮ひずみは、ZPNRsの磁性および半導体的挙動にどのような効果を及ぼすか？
• RQ4 ZPNRsにおける磁性秩序は、構造的および電子的摂動に対してどの程度安定か？
• RQ5 ZPNRsの磁性および電子的相は、素子応用のために逆転可能にチューニング可能か？

主な発見

• ねずみ返しリンパネートナノリブは、エッジ原子あたり約1.0 μBの磁気モーメントを示す安定な反強磁性絶縁体基底状態を有する。
• 磁気モーメントは各ねずみ返しエッジで反平行に整列しており、ネット磁化はゼロとなる。
• 約0.7 eVの大きなバンドギャップを維持しており、強い絶縁体的挙動を示している。
• 磁性状態はエネルギー的に安定で、磁気イオンあたり約29 meVの結合エネルギーを有する。
• 中程度の圧縮ひずみを加えることで、磁性半導体から非磁性金属への完全な遷移が誘発される。
• この遷移は、フェルミ準位を通過する半分満たされた一次元バンドに起因し、電子的不安定性が増大し、磁性秩序が消失することによって駆動される。