[논문 리뷰] Prediction of 2D ferromagnetism and monovalent europium ions in EuBr/graphene heterojunctions

Haoyi Tan, Guangcun Shan외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Graphene research and applications참고 문헌 31인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 2D 유브로마이드/그래핀 이중구조체가 강한 양자역학적 상호작용을 통해 유럽늄(II) 이온(Eu²⁺)을 안정화시키고, 유럽늄 원자당 약 7.0 μB의 내재된 반강자성을 나타내며, 강한 양이온-π 상호작용을 통해 1가 유럽늄(Eu⁺) 이온을 안정화시킨다고 예측한다. 밀도함수이론(DFT)과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 금속성의 향상, 고 임계온도(~7 K), 그리고 외부 스트레인 및 도핑에 의한 조절 가능성 등을 입증하며, 대기 중 용액합성 기반의 2D 스핀트로닉스 재료 개발로 이어질 수 있는 길을 제시한다.

ABSTRACT

Europium, one of the rare earth elements, exhibits +2 and +3 valence states and has been widely used for magnetic modification of materials. Based on density functional theory calculations, we predict the 2D EuBr/graphene heterojunctions to exhibit metallicity, huge intrinsic-ferromagnetism nearly 7.0 {\mu}B per Eu and the special monovalent Eu ions. Electron localization function (ELF), difference charge densities and Bader charge analyses demonstrate that there are cation-{\pi} interactions between the EuBr films and graphene, which explains the stability of these unusual heterojunctions. Graphene works as substrate to enable the stability of EuBr monolayer crystals where EuBr plays an important role to yield ferromagnetism and enhance metallicity in the heterojunctions. Monte Carlo simulations are used to estimate a Curie temperature of about 7 K, which, together with magnetic configurations, can be further modulated by external strains and charge-carrier doping. In general, our theoretical work predicts the properties of the novel 2D ferromagnetic EuBr/graphene heterojunctions, suggests the possibility of combining the 2D intrinsic-ferromagnetic metal halide crystals and graphene, and opens up a new perspective in next-generation electronic, spintronic devices and high-performance sensors.

연구 동기 및 목표

• 2D 유브로마이드/그래핀 이중구조체의 안정성과 자성 특성을 탐구하기 위해.
• 2D 이중구조체에서 1가 유럽늄(Eu⁺) 이온의 형성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 2D 전이금속-halide/그래핀 시스템에서 내재된 반강자성 및 금속성의 잠재력을 평가하기 위해.
• 외부 스트레인 및 전하 운반체 도핑에 의한 자성 및 전자적 특성의 조절 가능성 평가하기 위해.
• 최근 칼슘클로라이드/그래핀 성공 사례를 영감으로 삼아, 포화용액 방법을 활용한 실현 가능한 합성 경로 제안하기 위해.

제안 방법

• 반데르발스 상호작용을 고려하기 위해 PBE-GGA 함수와 DFT-D3 보정을 사용한 밀도함수이론(DFT).
• 강한 전자 상호작용을 반영하기 위해 유럽늄 4f 전자에 대해 Hubbard U-J = 6.0 eV를 포함.
• 모든 전자 및 자성 계산에 스핀-오비탈 결합(SOC)을 포함.
• 임계온도 추정 및 외부 교란 조건 하에서의 자성 안정성 연구를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용.
• 결합 성질과 전하 이동을 분석하기 위해 전자 국소화 함수(ELF), 전하 밀도 차이, Bader 전하 분석을 수행.
• 운동역학적, 열역학적, 기계적, 열역학적 안정성을 확인하기 위해 진동 분포, AIMD, 보른 탄성 안정성, 결합 에너지 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 유브로마이드 수소층은 그래핀과 안정적인 이중구조체를 형성할 수 있으며, 그 안정성을 뒷받침하는 요인은 무엇인가?
• RQ2 유브로마이드/그래핀 이중구조체는 내재된 반강자성을 나타내는가? 유럽늄 원자당 자성 모멘트는 얼마인가?
• RQ3 이중구조체 내에서 유럽늄의 산화 상태는 무엇이며, 1가 유럽늄(Eu⁺) 이온은 안정화되는가?
• RQ4 외부 스트레인 또는 전하 도핑은 임계온도와 자성 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 칼슘클로라이드/그래핀의 성공 사례를 참고해, 포화용액 방법을 통해 유브로마이드/그래핀 이중구조체의 합성을 실현 가능한가?

주요 결과

• 유브로마이드/그래핀 이중구조체는 유럽늄 원자당 약 7.0 μB의 자성을 나타내며, 이는 비공명 4f 전자에 기인한 강력한 내재 반강자성의 증거이다.
• 임계온도는 약 7 K로 추정되며, 외부 스트레인 및 전하 도핑에 의한 조절 가능성이 있다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 5% 압축 스트레인은 임계온도를 10 K로 증가시키고, 5% 인장 스트레인은 이를 2 K로 감소시키는 것으로 나타났다.
• 5% 압축 스트레인 조건에서 자성 이방성 에너지가 면내에서 면외로 전환되며, 이는 조절 가능한 자성 이방성의 가능성을 시사한다.
• ELF, 전하 밀도 차이, Bader 분석 결과, 유럽늄 이온과 그래핀의 방향족 고리 사이의 양이온-π 상호작용이 확인되어 1가 유럽늄(Eu⁺) 상태의 안정화가 이루어짐을 입증하였다.
• 유브로마이드는 전자 기증체로 작용하여 피에르미 수준을 이동시키고 이중구조체의 금속성을 향상시키며, 유럽늄 2pz 오비탈 기여로 인해 디랙 포인트가 이동한다.