[논문 리뷰] Control of magnetism in bilayer CrI$_{3}$ by an external electric field

Eric Suárez Morell, Andrea León외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 이중층 CrI₃의 단일백색(HT) 구조에서 외부 전기장이 반자성(AFM)에서 강자성(FM)으로의 가역적 자기상 전이를 유도할 수 있음을 보여준다. 반면, 삼각형(_LT) 구조는 강력하게 FM 상태를 유지한다. 이 전이는 전기장 하에서 스핀 분리 밴드가 강체적으로 이동함에 따라 발생하며, AFM 상태가 FM 상태보다 에너지를 더 빠르게 획득함으로써 발생한다. 이는 반데르발스 헤테로구조에서 자기성을 전기장으로 제어할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recently intrinsic ferromagnetism in two-dimensional(2D) van der Waals materials was discovered [1, 2, 3]. A monolayer of Chromiun triiodide(CrI3) is ferromagnetic while a bilayer structure was reported to be anti-ferro magnetic, moreover an external electric field changes its magnetic phase [4]. We have studied the two found in nature stackings of CrI3 bilayers and found that indeed the magnetic phase of one of them can be tuned by an external electric field while the other remains ferromagnetic. We simulate those results with ab initio calculations and explain them with a simple model based on a rigid shift of the bands associated with different spins. The model can be applied to similar van der Waal stacked insulating bilayer anti-ferromagnets.

연구 동기 및 목표

• 다른 구조 순서를 가진 이중층 CrI₃에서 외부 전기장의 자기상에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 전기장이 2D 반데르발스 자성체에서 자기적 순서를 가역적으로 전환시킬 수 있는지 확인하는 것.
• HT 및 LT 상의 전기장에 대한 이질적 반응을 설명하는 단순한 모델을 개발하는 것.
• 유사한 이중층 반자성 반데르발스 시스템에서 전기장에 의한 자기성 제어를 위한 일반 원칙을 설정하는 것.

제안 방법

• PBE 교환-상관 기능과 Cr d 오비탈에 대한 DFT+U (U=2.0 eV)를 사용한 Quantum Espresso 및 VASP를 이용한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 정확한 이중층 구조 최적화 및 에너지 평가를 위해 DFT-D3 방법을 활용해 반데르발스 상호작용을 포함.
• 외부 전기장의 영향을 에너지 이동 ∆로 모의하는 강체 밴드 이동 모델을 적용.
• 16×16×1의 k-점 그리드를 사용하여 총 에너지, 밴드 구조 및 궁극적 밀도 상태를 계산하고, 수렴 임계값 10⁻⁸ eV를 확보.
• 전기장 강도(모델링된 ∆를 통해)에 따른 FM 및 AFM 상 간 에너지 차이를 비교하여 상 전이 지점을 규명.
• 계산 코드(QE 및 VASP) 간 결과의 일관성 검증 및 실험 관측 결과와의 일치성 점검.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장이 이중층 CrI₃에서 자기상 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 왜 HT(단일백색) 구조는 전기장 조절이 가능한 자기성을 보이지만, LT(삼각형) 구조는 그렇지 않은가?
• RQ3 두 구조 순서가 전기장에 대해 서로 다른 반응을 보이는 기본 전자기구는 무엇인가?
• RQ4 강체 밴드 이동 기반의 단순 모델이 관측된 전기장 유도 자기 전환을 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘은 각각의 층에서 반대 방향의 자기모멘트를 가진 다른 반데르발스 이중층 반자성체에 일반화 가능한가?

주요 결과

• 외부 전기장은 이중층 CrI₃의 단일백색(HT) 구조에서 반자성(AFM)에서 강자성(FM)으로의 가역적 전이를 유도한다.
• 삼각형(LT) 구조는 어떤 전기장 조건에서도 강자성 상태를 유지하며, 자기 전환에 대해 뛰어난 안정성을 보인다.
• HT 구조에서 전기장 강도가 증가함에 따라 FM 및 AFM 상 간 에너지 차이가 감소하며, ∆ ≈ 0.055 a.u.에서 교차점이 나타나 상 전이가 발생함을 시사한다.
• 전이는 스핀 분리 밴드의 강체 이동에 의해 설명되며, 양쪽 스핀 채널에 대칭적인 전자 분포로 인해 AFM 상태가 FM 상태보다 더 빠르게 에너지를 획득한다.
• ∆ > 0.055 a.u.에 해당하는 전기장 강도에서는 HT 상의 FM 상태가 AFM 상태보다 더 안정해지며, 이는 전기장 유도 자기 전환의 가능성을 확인한다.
• 제안된 강체 밴드 이동 모델은 다른 반데르발스 이중층 반자성체에 일반적으로 적용 가능하며, 각 층에서 반대 방향의 자기모멘트를 가진 시스템에 적용 가능하다.