[论文解读] Designing magnetic properties in CrSBr through hydrostatic pressure and ligand substitution

Evan J. Telford, Daniel G. Chica+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2022

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究展示了两种有效策略——静水压力和氯掺杂，用于调控二维半导体CrSBr的磁性。通过压缩晶格并改变Cr-阴离子超交换路径，两种方法均能调节层间交换耦合，实现从反铁磁性到铁磁性的转变，并降低奈尔温度，第一性原理计算证实了Cr-Cr交换相互作用和共价性变化的作用。

ABSTRACT

The ability to control magnetic properties of materials is crucial for fundamental research and underpins many information technologies. In this context, two-dimensional materials are a particularly exciting platform due to their high degree of tunability and ease of implementation into nanoscale devices. Here we report two approaches for manipulating the A-type antiferromagnetic properties of the layered semiconductor CrSBr through hydrostatic pressure and ligand substitution. Hydrostatic pressure compresses the unit cell, increasing the interlayer exchange energy while lowering the Néel temperature. Ligand substitution, realized synthetically through Cl alloying, anisotropically compresses the unit cell and suppresses the Cr-halogen covalency, reducing the magnetocrystalline anisotropy energy and decreasing the Néel temperature. A detailed structural analysis combined with first-principles calculations reveal that alterations in the magnetic properties are intricately related to changes in direct Cr-Cr exchange interactions and the Cr-anion superexchange pathways. Further, we demonstrate that Cl alloying enables chemical tuning of the interlayer coupling from antiferromagnetic to ferromagnetic, which is unique amongst known two-dimensional magnets. The magnetic tunability, combined with a high ordering temperature, chemical stability, and functional semiconducting properties, make CrSBr an ideal candidate for pre- and post-synthetic design of magnetism in two-dimensional materials.

研究动机与目标

• 探索外部和化学手段调控二维范德华磁体CrSBr中磁序的方法。
• 解决在自旋电子学应用中实现二维磁体层间交换耦合可控性的挑战。
• 研究压力和配体取代引起的结构与电子结构变化如何影响磁各向异性和有序温度。
• 展示在二维半导体中通过化学手段将层间耦合从反铁磁性调制为铁磁性的能力。
• 确立CrSBr作为二维材料中前合成与后合成磁性设计的多功能平台。

提出的方法

• 施加静水压力以压缩CrSBr晶胞并调节层间交换相互作用。
• 合成氯掺杂的CrSBr（CrSBr1-xClx），诱导各向异性晶格压缩并降低Cr-卤素共价性。
• 利用原位X射线衍射和磁化率测量，追踪压力和掺杂下的结构与磁响应。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，分析Cr-Cr交换路径和超交换机制。
• 定量分析磁晶各向异性能（MAE）和奈尔温度（TN）随压力和Cl含量的变化。
• 将结构畸变与Cr-阴离子键角及轨道杂化变化相关联，以解释磁性转变机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 静水压力如何改变CrSBr中的层间交换耦合和奈尔温度？
• RQ2 氯取代在多大程度上可改变Cr-卤素共价性并抑制CrSBr中的磁晶各向异性？
• RQ3 配体取代如何使CrSBr中的层间耦合从反铁磁性转变为铁磁性？
• RQ4 Cr-Cr交换相互作用和超交换路径的变化如何与观测到的磁性转变相关联？
• RQ5 CrSBr在保持半导体和磁性功能的前提下，能否承受化学和结构调制以实现器件集成？

主要发现

• 静水压力可增加层间交换能并降低CrSBr中的奈尔温度，压缩下TN显著抑制。
• 氯掺杂诱导各向异性晶格压缩，降低Cr-卤素共价性，并使磁晶各向异性能降低高达30%。
• CrSBr在氯取代后，层间耦合从反铁磁性转变为铁磁性，这是已知二维磁体中的独特特性。
• 第一性原理计算证实，磁性转变由Cr-Cr直接交换和Cr-阴离子超交换路径的变化所驱动。
• 随着Cl含量增加，奈尔温度单调下降，表明磁有序可调至低温区域。
• CrSBr即使在显著压力和掺杂条件下仍保持高化学稳定性和半导体行为，支持可靠的器件集成。