[论文解读] Prediction of 2D ferromagnetism and monovalent europium ions in EuBr/graphene heterojunctions

Haoyi Tan, Guangcun Shan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Graphene research and applications参考文献 31被引用 12

一句话总结

本研究预测，二维 EuBr/石墨烯异质结表现出本征铁磁性，每个 Eu 原子的磁矩接近 7.0 μB，并通过强阳离子-π相互作用稳定了单价铕离子（Eu⁺）。利用密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟，研究证明了其增强的金属性、较高的居里温度（约 7 K），以及通过应变和掺杂实现的可调性，为通过常压溶液法合成二维自旋电子材料提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 探索二维 EuBr/石墨烯异质结的稳定性与磁性。
• 研究二维异质结构中单价铕（Eu⁺）离子的形成机理。
• 评估二维过渡金属卤化物/石墨烯体系中本征铁磁性与金属性的潜力。
• 评估通过外部应变和载流子掺杂调控磁性和电子性质的可行性。
• 提出一种基于近期 CaCl/石墨烯成功经验的可行饱和溶液法合成路线。

提出的方法

• 采用 PBE-GGA 泛函和 DFT-D3 校正处理范德华相互作用的密度泛函理论（DFT）计算。
• 对 Eu 4f 电子引入 Hubbard U-J = 6.0 eV，以考虑强电子关联效应。
• 所有电子与磁性计算中均包含自旋轨道耦合（SOC）。
• 使用蒙特卡洛模拟估算居里温度，并研究外部扰动下的磁稳定性。
• 采用电子局域化函数（ELF）、电荷密度差分和 Bader 电荷分析，探究化学键本质与电荷转移。
• 通过声子色散关系、从头算分子动力学（AIMD）、Born 弹性稳定性及结合能分析，确认了系统的动力学、热力学、力学和热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维 EuBr 单层能否与石墨烯形成稳定的异质结？其稳定性由什么因素决定？
• RQ2 EuBr/石墨烯异质结是否表现出本征铁磁性？每个 Eu 原子的磁矩是多少？
• RQ3 异质结中铕的氧化态是什么？单价 Eu⁺ 是否被稳定存在？
• RQ4 外部应变或电荷掺杂如何影响居里温度与磁各向异性？
• RQ5 能否通过类似 CaCl/石墨烯的简单饱和溶液法实现 EuBr/石墨烯异质结的合成？

主要发现

• EuBr/石墨烯异质结中每个 Eu 原子的磁矩接近 7.0 μB，表明由于 4f 电子未配对而产生强本征铁磁性。
• 居里温度估计约为 7 K，且可通过外部应变和电荷掺杂实现可调。
• 蒙特卡洛模拟显示，5% 压缩应变可使居里温度提升至 10 K，而 5% 拉伸应变则使其降至 2 K。
• 在 5% 压缩应变下，磁各向异性能从面内转变为面外，表明磁各向异性可被调控。
• 通过 ELF、电荷密度差分和 Bader 分析，证实了 Eu²⁺ 离子与石墨烯芳香环之间的阳离子-π相互作用，稳定了单价 Eu⁺ 状态。
• EuBr 作为电子供体，使费米能级发生偏移，增强了异质结的金属性，且由于 Eu 2pz 轨道的贡献，狄拉克点发生位移。