[논문 리뷰] Co-existence of Novel Ferromagnetic/Anti-ferromagnetic Phases in Two-dimensional Ti3C2 MXene

Mehroz Iqbal, Jameela Fatheema외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 29.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 공침법을 이용한 La 도핑를 통해 2차원 Ti3C2 MXene에서 페로자성 및 반자성 상이 동시에 존재하는 최초의 실험적 합성을 보고한다. 도핑으로 인해 c-격자 상수가 19.2 Å에서 18.3 Å로 감소하고, 밴드 갭은 1.06 eV에서 1.44 eV로 증가하며, 공존하는 자성 정렬이 유도되어 스핀트로닉스 및 자기 데이터 저장 응용 분야 잠재력이 높음을 시사한다.

ABSTRACT

This study reports first synthesis of MXene-derived co-existing phases. New family of two-dimensional materials such as Ti3C2 namely MXene, having transition metal forming hexagonal structure with carbon atoms have attracted tremendous interest now a days. We have reported structural, optical and magnetic properties of undoped and La-doped Ti3C2Tx MXene synthesized using co-precipitation method. The c-lattice parameters (c-LP) calculated for La-MXene is c=18.3Å which is slightly different from the parent un-doped MXene (c=19.2Å), calculated from X-ray diffraction data. The doping of La+3 ions shrinks Ti3C2Tx layers perpendicular to the planes but expands slightly the in-plane lattice parameters. The band gap for MXene is calculated to be 1.06 eV which is increased to 1.44 eV after the doping of La+3 ion that shows its good semiconducting nature. The experimental results for magnetic properties of both the samples have been presented and discussed, indicating the presence of ferromagnetic-antiferromagnetic phases co-existing. The results presented here are unique and first report on magnetic properties of two-dimensional carbides for magnetic data storage applications.

연구 동기 및 목표

• 도핑되지 않은 및 La 도핑된 Ti3C2Tx MXene의 구조적, 광학적 및 자성 특성을 조사하기 위해.
• La+3 도핑이 2차원 MXene의 격자 상수 및 전자 구조에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• MXene의 자성 거동을 규명하고 페로자성 및 반자성 상의 공존 여부를 확인하기 위해.
• 도핑된 Ti3C2 MXene가 스핀트로닉스 및 자기 데이터 저장 응용 분야에서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 공침법을 이용한 도핑되지 않은 및 La 도핑된 Ti3C2Tx MXene의 합성.
• La 도핑에 의한 c-격자 상수 변화를 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 분석.
• 광학 흡수 데이터를 이용한 밴드 갭 계산을 통해 반도체 성질 평가.
• 자기적 성질 특성 분석을 통해 공존하는 페로자성 및 반자성 상 식별.
• 격자 팽창/수축과 도핑 효과 간의 상관관계를 규명하기 위한 구조적 및 전자적 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La+3 도핑은 Ti3C2 MXene의 c-격자 상수 및 평면 내 격자 상수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 La 도핑 후 밴드 갭은 어떻게 변화하며, 이는 MXene의 반도체 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 La 도핑된 Ti3C2 MXene에서 공존하는 자성 상은 무엇이며, 그 기원은 무엇인가?
• RQ4 2차원 MXene에서 페로자성 및 반자성 상의 공존이 실험적으로 확인될 수 있는가?
• RQ5 도핑된 Ti3C2 MXene는 스핀트로닉스 또는 자기 데이터 저장 응용 분야에서 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• La 도핑은 도핑되지 않은 MXene의 c-격자 상수 19.2 Å를 도핑된 MXene의 18.3 Å로 감소시킨다.
• La 도핑된 MXene의 평면 내 격자 상수는 도핑되지 않은 상태에 비해 약간 팽창된 것으로 나타났다.
• 밴드 갭은 도핑되지 않은 MXene의 1.06 eV에서 도핑된 MXene의 1.44 eV로 증가하여 반도체 성질이 향상됨을 나타낸다.
• 실험 결과, La 도핑된 Ti3C2 MXene에서 페로자성 및 반자성 상의 공존이 확인되었다.
• 이것은 2차원 MXene에서 공존하는 자성 상이 관측된 최초의 보고로, 스핀트로닉스 응용 분야 잠재력이 있음을 시사한다.