[论文解读] Magnetism and Piezoelectricity in Stable Transition Metal Silicate Monolayers

Kayahan Saritas, Nassar Doudin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2020

Multiferroics and related materials参考文献 73被引用 15

一句话总结

本研究识别出源自高岭石和蛇纹石结构的空气稳定、可转移的二维过渡金属硅酸盐单层，是同时具备铁磁性和压电性的有前途候选材料。通过DFT+U计算，作者预测铬、锰、铁、钴和镍掺杂的硅酸盐单层表现出有限的压电响应和可调的铁磁有序性，其稳定相在常温常压下存在，且通过氢化可调节氧化态。

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.

研究动机与目标

• 识别在空气中稳定、可转移的二维范德华材料，同时具备铁磁性和压电性。
• 探索源自高岭石和蛇纹石结构的过渡金属掺杂硅酸盐单层的结构、电子、磁性和压电性能。
• 确定在不同氧气和氢气压强下的热力学稳定性和生成能。
• 研究通过氢化调节过渡金属氧化态的可调性。
• 建立通过表面辅助生长方法合成这些材料的可行性。

提出的方法

• 采用带有Hubbard-U校正的密度泛函理论（DFT+U）模拟结构、电子、磁性和压电性能。
• 使用PBE交换关联泛函，并针对过渡金属氧化物采用特定位点的U值（3.7–6.2 eV）。
• 通过生成能和Hull能构建相图，评估在不同O₂和H₂压强下的热力学稳定性。
• 计算氢化反应的吉布斯自由能，以评估氢化相（x = 0–4）的稳定性。
• 通过有限位移法计算压电张量分量，量化压电响应。
• 通过比较反铁磁和铁磁构型的总能量，分析磁性基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 源自高岭石和蛇纹石结构的过渡金属掺杂硅酸盐单层，在常压条件下是否具有热力学稳定性？
• RQ2 这些二维硅酸盐能否表现出本征铁磁性并具有有限的净磁矩？
• RQ3 在稳定相和亚稳相中，压电响应的大小和方向如何？
• RQ4 这些单层中过渡金属的氧化态如何随氢化程度变化？
• RQ5 磁性和压电性能是否可通过外场或化学掺杂实现调控？

主要发现

• 铬、锰、铁、钴和镍掺杂的高岭石型和蛇纹石型硅酸盐单层在常压氧气分压下表现出热力学稳定性，其生成能低于凸包线。
• 若干单层，包括铁和镍掺杂相，表现出稳定的铁磁基态，每个过渡金属位点的净磁矩为2.0–3.0 μB。
• 在稳定相中，压电张量分量最高可达1.2 pm/V，证实了由于破坏中心对称性而产生的强压电响应。
• 氢化降低了过渡金属的氧化态：Fe²⁺/Fe³⁺和Ni²⁺状态在氢化相中被稳定，从而实现磁性行为的可调性。
• 预测其在常压下稳定，且与表面辅助合成方法兼容，表明可实现可转移的二维铁磁性压电材料。
• 蛇纹石衍生相（M₃Si₂O₉Hₓ）由于有利的配位几何结构，比高岭石型（M₂Si₂O₉Hₓ）相具有更高的稳定性及更大的压电响应。