[논문 리뷰] Magnetism and Piezoelectricity in Stable Transition Metal Silicate Monolayers

Kayahan Saritas, Nassar Doudin외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 25.

Multiferroics and related materials참고 문헌 73인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 고올린 및 라이자르드라이트 구조에서 유도된 공기 안정성 있고 이방성 가능한 2D 전이 금속 실리케이트 단층구조가 동시에 강자성과 압전성질을 갖는 데 유망한 후보로 규명한다. DFT+U 계산을 통해 저자들은 크롬, manga네즈, Iron, cobalt, 니켈 도핑된 실리케이트 단층구조에서 유한한 압전 반응과 조절 가능한 강자성 질서를 예측하였으며, 대기 조건에서 안정한 상과 수소화에 의한 조절 가능한 산화 상태를 갖는다.

ABSTRACT

Two-dimensional van der Waals (2D vdW) materials that display ferromagnetism and piezoelectricity have received increased attention. Despite numerous 2D materials have so far been reported as ferromagnetic, developing an air stable and transferable vdW material that is multiferroic has been challenging. To address this problem, we report our work on layered transition metal silicates that are derivatives of kaolinites and lizardites with transition metal substituting on Al$^{3+}$ and Mg$^{2+}$ sites using ab-initio calculations. Using Density Functional Theory (DFT), we show that these compounds are stable under varying O$_2$ partial pressure and can be synthesized using a surface assisted method. We show that these materials have finite out-of-plane piezoelectric response thanks to the lack of inversion symmetry and also they can be tailored to be ferrimagnetic with a non-zero net moment.

연구 동기 및 목표

• 공기 안정성 있고 이방성 가능한 2D 반데르발스 물질이 동시에 강자성과 압전성을 갖는지 규명하는 것.
• 고올린 및 라이자르드라이트에서 유도된 전이 금속 도핑된 실리케이트 단층구조의 구조적, 전자적, 자기적, 압전성 특성을 탐구하는 것.
• 다양한 산소 및 수소 기체 압력에서 열역학적 안정성과 생성 에너지를 결정하는 것.
• 수소화에 의한 전이 금속 산화 상태의 조절 가능성 탐구.
• 표면 보조 성장 방법을 통한 합성 가능성 확립.

제안 방법

• 구조적, 전자적, 자기적, 압전성 특성을 모델링하기 위해 허브-우 보정을 적용한 밀도함수이론(DFT+U)을 사용하였다.
• 전이 금속 산화물에 캘리브레이션된 사이트 특화 U 값(3.7–6.2 eV)을 사용한 PBE 교환-상관 기능을 적용하였다.
• 생성 에너지 및 힐 에너지를 사용하여 상도를 구성하여 산소 기체 및 수소 기체 압력 변화에 따른 열역학적 안정성을 평가하였다.
• 수소화의 구리프스 자유 에너지를 계산하여 수소화 상(x = 0–4)의 안정성을 평가하였다.
• 유한 이동 방법을 통해 압전 텐서 성분을 계산하여 압전 반응을 정량화하였다.
• 반대자성 및 강자성 구성의 총 에너지를 비교하여 자기 기저 상태를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고올린 및 라이자르드라이트 구조에서 유도된 전이 금속 도핑된 실리케이트 단층구조 중 대기 조건에서 열역학적으로 안정한 것은 무엇인가?
• RQ2 이 2D 실리케이트는 내재된 강자성을 보이며 유한한 순 자기 모멘트를 갖는가?
• RQ3 안정상 및 준안정상에서의 압전 반응의 크기와 방향은 무엇인가?
• RQ4 이 단층구조에서 전이 금속의 산화 상태는 수소화 수준에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 외부 필드나 화학 도핑을 통해 자기 및 압전 성질을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 크롬, manga네즈, Iron, 코발트, 니켈 도핑된 고올린 및 라이자르드라이트 유형의 실리케이트 단층구조는 대기 중 산소 부분압력에서 열역학적으로 안정하며, 생성 에너지가 볼 힐을 아래로 유지한다.
• 철 및 니켈 도핑된 상을 포함한 여러 단층구조는 순 자기 모멘트 2.0–3.0 μB/전이 금속 사이트를 갖는 안정된 강자성 기저 상태를 보인다.
• 안정상에서 압전 텐서 성분은 최대 1.2 pm/V에 도달하여 대칭성의 붕괴로 인한 강한 압전 반응을 확인한다.
• 수소화는 전이 금속 산화 상태를 감소시킨다: 철(II)/철(III) 및 니켈(II) 상태는 수소화 상에서 안정화되어 조절 가능한 자기 행동을 가능하게 한다.
• 대기 조건에서의 예측된 안정성과 표면 보조 합성 방법과의 호환성은 이방성 가능한 2D 강자성 압전체의 실험적 실현 가능성을 시사한다.
• 라이자르드라이트 유도 상(M₃Si₂O₉Hₓ)은 고올린 유형(M₂Si₂O₉Hₓ) 대비 유리한 배치 기하학으로 더 높은 안정성과 더 큰 압전 반응을 보인다.