[논문 리뷰] Dilute magnetic semiconductor and half-metal behaviour mediated by 3d transition-metal doped in black/blue phosphorene

Weiyang Yu, Zhili Zhu외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 07.

2D Materials and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 백과 파란 퀘이크린에서 3d 전이 금속(TM) 도핑을 처음 원리 밀도함수이론을 사용하여 조사하였으며, Ti, V, Cr, Mn, Fe 및 Ni 도핑은 양상태 모두에서 희박한 자성 반도체(DMS) 행동을 유도하는 것으로 밝혀졌다. 파란 페로포린에서 Ti와 Ni는 반도체 성질을 보였으며, 이는 반도체 성질을 띤다. 자성 행동은 부분적으로 채워진 비결합 d 상태에서 기인하며, Sc 및 Co 도핑은 완전히 점유된 결합 상태로 인해 비자성 상태를 유지한다.

ABSTRACT

We present first-principles density-functional calculations for the structural, electronic, and magnetic properties of substitutional 3d transition metal (TM) impurities in two-dimensional black and blue phosphorenes. We find that the magnetic properties of such substitutional impurities can be understood in terms of a simple model based on the Hund's rule. The TM-doped black phosphorenes with Ti, V, Cr, Mn, Fe and Ni impurities show dilute magnetic semiconductor (DMS) properties while those with Sc and Co impurities show nonmagnetic properties. On the other hand, the TM-doped blue phosphorenes with V, Cr, Mn and Fe impurities show DMS properties, those with Ti and Ni impurities show half-metal properties, whereas Sc and Co doped systems show nonmagnetic properties. We identify two different regimes depending on the occupation of the hybridized electronic states of TM and phosphorous atoms: (i) bonding states are completely empty or filled for Sc- and Co-doped black and blue phosphorenes, leading to non-magnetic; (ii) non-bonding d states are partially occupied for Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- and Ni-doped black and blue phosphorenes, giving rise to large and localized spin moments. These results provide a new route for the potential applications of dilute magnetic semiconductor and half-metal in spintronic devices by employing black and blue phosphorenes.

연구 동기 및 목표

• 이중 밀도의 검은색 및 파란 페로포린에서 3d 전이 금속 불순물의 구조적, 전자적 및 자성 성질을 조사하기 위해.
• 이 도핑된 시스템이 희박한 자성 반도체(DMS) 또는 반도체 행동을 나타내는 조건을 규명하기 위해.
• 훈드의 규칙과 혼성 전자 상태를 기반으로 자성 행동을 설명하는 물리적 모델을 수립하기 위해.
• 자기모멘트 국소화와 전자 구조를 분석하여 스핀트로닉스 장치에 유망한 후보를 식별하기 위해.

제안 방법

• 검은색 및 파란 페로포린에서 치환성 3d 전이 금속 도핑의 전자적 및 자성 성질을 분석하기 위해 초기 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 전이 금속 d 오비탈과 인산화물 p 오비탈 간의 혼성 전자 상태의 점유를 검토하여 결합 및 비결합 성질을 분류하였다.
• 스핀 편극 계산을 사용하여 도핑된 시스템에서 국소화된 스핀 모멘트의 존재 및 크기를 결정하였다.
• 완전히 채워진 또는 비어 있는 결합 상태(비자성)와 부분적으로 채워진 비결합 d 상태(자성) 사이의 구분에 초점을 맞춘 분석을 수행하였다.
• 자기 행동은 훈드의 규칙에 기반한 모델을 사용하여 설명되었으며, d 오비탈 내 전자 상호작용 효과에 중점을 두었다.
• 검은색 및 파란 페로포린 상호간의 비교 분석을 통해 도핑에 의해 유도된 구조적 및 전자적 차이를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 3d 전이 금속 도핑이 검은색 및 파란 페로포린에서 희박한 자성 반도체(DMS) 행동을 유도하는가?
• RQ2 TM 도핑된 페로포린에서 비자성 시스템과 자성 시스템을 구분하는 전자 구조적 특징은 무엇인가?
• RQ3 왜 파란 페로포린에서 Ti와 Ni 도핑은 반도체 성질을 보이며 다른 이들은 DMS 또는 비자성 상태를 나타내는가?
• RQ4 전이 금속 d 오비탈과 인산화물 p 오비탈 간의 혼성화가 자성 및 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 훈드의 규칙에 기반한 단순한 모델이 도핑된 페로포린에서 관측된 자성 모멘트를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 검은색 페로포린에서 Ti, V, Cr, Mn, Fe 및 Ni 도핑은 부분적으로 채워진 비결합 d 상태로 인해 희박한 자성 반도체(DMS) 행동을 나타낸다.
• 검은색 페로포린에서 Sc 및 Co 도핑은 완전히 채워진 결합 상태로 인해 비자성 상태를 유지한다.
• 파란 페로포린에서 V, Cr, Mn 및 Fe 도핑은 DMS 행동을 보이며, Ti 및 Ni는 스핀-다운 채널에 갭이 있는 반도체 성질을 나타낸다.
• 파란 페로포린에서 Sc 및 Co 도핑은 완전히 점유된 결합 상태와 일치하여 비자성 상태이다.
• DMS 및 반도체 시스템의 자성 모멘트는 국소화되고 부분적으로 채워진 비결합 d 상태에서 기인하며, 이는 훈드의 규칙과 일치한다.
• 비자성과 자성 행동의 구분은 혼성 전자 상태의 점유 여부에 의해 결정된다: 채워진/비어 있는 결합 상태는 비자성을 유도하고, 부분적으로 채워진 비결합 상태는 큰 국소화된 스핀 모멘트를 유도한다.