[논문 리뷰] High Curie temperature half metallic 2D M2Se3 (M = Co, Ni, and Pd) monolayers with superior mechanical flexibility

Peng Lv, Gang Tang외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 19.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 77인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론을 사용하여 이차원 M2Se3 단층막(M = Co, Ni, Pd)을 조사하였으며, Co2Se3는 700 K가 넘는 투자온도를 가지며 반도체적 반자성체 성질을 나타내며, 고유한 굽은 힌지 형태의 구조 덕분에 기계적 유연성이 뛰어나 전통적인 2차원 재료의 두 배에 달하는 임계변형률을 가지며, 이는 유연한 고밀도 스핀트로닉스 장치에 매우 유망하다는 것을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Pursuing two-dimensional (2D) intrinsic ferromagnetism with high Curie temperature and great mechanical flexibility has attracted great interest in flexible spintronics. In the present work, we carried out a density functional theory (DFT) investigation on the 2D M2Se3 (M=Co, Ni and Pd) monolayers to understand their structural stabilities, electronic, magnetic and mechanical properties. Our results show that the Co2Se3 monolayer exhibits a fascinating half-metallic ferromagnetism with high Curie temperature (>700K). In addition, due to their unique buckling hinge-like structure, M2Se3 monolayers possess the large out-of-plane negative Poisson's ratio (NPR) and superior mechanical flexibility evidenced by their unusual critical strain two times greater than the well-known 2D materials. These findings imply that 2D M2Se3 family is the promising materials for the applications in the flexible and high-density spintronic nanodevices.

연구 동기 및 목표

• 유연한 스핀트로닉스 응용을 위한 2차원 M2Se3 단층막(M = Co, Ni, Pd)의 구조적, 전자적, 자성적, 기계적 성질을 탐구하기 위해.
• 실온 및 그 이상에서 작동 가능한 고투자온도를 지닌 내재된 2차원 반자성체 물질을 식별하기 위해.
• 특히 파손에 대한 저항성을 포함한 M2Se3 단층막의 기계적 유연성을 평가하기 위해.
• 스핀트로닉스 응용에 필수적인 100% 스핀 투명도를 가지는지 여부를 판단하기 위해 반도체적 성질을 확인하기 위해.
• 강력한 자성 및 기계적 안정성을 지닌 고밀도 유연한 나노전자 장치 플랫폼으로서 M2Se3의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자적 및 자성적 성질을 계산하기 위해 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 전자-이온 상호작용을 위해 프rojector Augmented Wave(PAW) 방법을 사용하였으며, 브라우얼레인 영역 샘플링을 위해 12×12×1 k-점 메시를 사용하였다.
• 구조적 안정성을 평가하기 위해 생성 에너지 및 진동 분포 계산을 수행하였다.
• 이방성 인장 변형 하에서의 면내 탄성 계수 및 푸아송 비를 사용하여 기계적 성질을 분석하였다.
• 계속 증가하는 인장 변형을 적용하여 시스템이 기계적으로 불안정해지는 순간까지 임계 변형률을 계산하였다.
• 스핀 분리 밴드 구조 분석을 통해 반도체적 성질을 평가하였으며, 스핀-다운 채널에 갭이 존재하는지 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M2Se3 단층막(M = Co, Ni, Pd)은 고투자온도를 지닌 내재된 2차원 반자성체 성질을 나타내는가?
• RQ2 M2Se3 단층막의 기계적 유연성, 특히 임계 변형률과 푸아송 비는 어떠한가?
• RQ3 이 물질들은 반도체적 성질을 나타내며 스핀트로닉스 응용의 잠재성을 지닌다?
• RQ4 특수한 굽은 힌지 형태의 구조는 기계적 및 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 물질들은 구조적 고장 없이 큰 변형을 견딜 수 있는가? 이는 유연한 장치 통합에 기여하는가?

주요 결과

• Co2Se3 단층막은 700 K가 넘는 투자온도를 가지며 반도체적 반자성체 성질을 나타내어 고온 스핀트로닉스 응용에 유망하다.
• 모든 M2Se3 단층막(Co, Ni, Pd)은 큰 외향성 음의 푸아송 비(NPR)를 나타내어 이국적인 기계적 연성과 향상된 유연성을 나타낸다.
• M2Se3 단층막의 임계 변형률은 그래핀과 같은 전통적인 2차원 재료의 약 두 배로, 탁월한 기계적 내구성을 나타낸다.
• 고유한 굽은 힌지 형태의 구조는 기계적 유연성 향상과 음의 푸아송 비 행동의 원인이다.
• 진동 분포 계산을 통해 모든 M2Se3 단층막에 대해 구조적 안정성이 확인되었으며, 허구적 모드는 관측되지 않았다.
• Co2Se3의 스핀 분리 밴드 구조 분석에서 스핀-다운 채널에 명확한 밴드 갭과 스핀-업 채널에 금속성 행동이 관측되어 반도체적 성질이 확인되었다.