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

Peng Lv, Gang Tang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2018

2D Materials and Applications参考文献 77被引用 16

一句话总结

本研究采用密度泛函理论研究了二维M2Se3单层（M = Co, Ni, Pd），发现Co2Se3表现出半金属性铁磁性，居里温度超过700 K，且由于其独特的褶皱铰链状结构而具有优异的机械柔韧性，临界应变是传统二维材料的两倍，因此在柔性高密度自旋电子器件中极具前景。

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.

研究动机与目标

• 探索二维M2Se3单层（M = Co, Ni, Pd）的结构、电子、磁性和机械性能，以评估其在柔性自旋电子应用中的潜力。
• 识别具有高居里温度的本征二维铁磁材料，适用于室温及更高温度下的运行。
• 评估M2Se3单层的机械柔韧性，特别是其在拉伸应变下的抗断裂能力。
• 确定这些材料是否表现出半金属性质，这对于需要100%自旋极化的自旋电子应用至关重要。
• 评估M2Se3作为高密度、柔性纳米电子器件平台的潜力，具备强磁性和机械稳定性。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）的密度泛函理论（DFT）计算电子和磁性性质。
• 使用投影缀加平面波（PAW）方法处理电子-离子相互作用，并采用12×12×1的k点网格对布里渊区进行采样。
• 通过生成能和声子色散关系计算评估结构稳定性。
• 通过单轴应变下的面内弹性模量和泊松比分析机械性能。
• 通过逐步施加单向拉伸应变，直至系统出现机械不稳定，计算临界应变。
• 通过自旋极化能带结构分析评估半金属性质，识别自旋向下通道的带隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 M2Se3单层（M = Co, Ni, Pd）是否表现出本征二维铁磁性及高居里温度？
• RQ2 M2Se3单层的机械柔韧性如何，特别是其临界应变和泊松比？
• RQ3 这些材料是否表现出半金属性质，表明其在自旋电子应用中的潜力？
• RQ4 独特的褶皱铰链状结构如何影响其机械和电子性质？
• RQ5 这些材料能否在不发生结构失效的情况下承受大变形，从而实现柔性器件集成？

主要发现

• Co2Se3单层表现出半金属性铁磁性，居里温度超过700 K，表明其在高温自旋电子应用中具有潜力。
• 所有M2Se3单层（Co, Ni, Pd）均表现出较大的面外负泊松比（NPR），表明其具有非典型的机械柔软性和增强的柔韧性。
• M2Se3单层的临界应变约为传统二维材料（如石墨烯）的两倍，表明其具有更优越的机械鲁棒性。
• 独特的褶皱铰链状结构是其增强机械柔韧性和负泊松比行为的原因。
• 声子色散计算证实所有M2Se3单层均具有结构稳定性，未观察到虚频模式。
• Co2Se3的自旋极化能带结构显示自旋向下通道存在清晰的带隙，而自旋向上通道呈金属性，证实其具有半金属性质。