Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cải thiện các tính chất điện tử và từ tính trong Cr2O3 monolayer honeycomb-kagome bằng cách hydro hóa và oxy hóa
Tóm tắt
Nghiên cứu này điều tra các tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính của bề mặt monolayer Cr2O3 dạng tổ ong-kagome (HK) chưa xử lý, được hydro hóa và oxy hóa bằng các phép tính từ nguyên lý đầu tiên dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT). Các phép toán động học phân tử và phân tán phonon cho thấy độ ổn định nhiệt và động của các hệ thống này, cho thấy khả năng tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy sự hấp phụ của các nguyên tử hydro và oxy trên bề mặt monolayer Cr2O3 đã thể hiện năng lượng hấp phụ âm, cho thấy rằng các cấu trúc này là có lợi về mặt năng lượng. Cụ thể, sự hấp phụ của các nguyên tử oxy đã biến đổi tính chất bán kim loại ban đầu của monolayer thành hành vi chất bán dẫn. Hơn nữa, việc giới thiệu các nguyên tử hydrogen và oxy đã nâng cao đáng kể nhiệt độ Curie của bề mặt. Những phát hiện này cung cấp một phương pháp thực tiễn để cải thiện các tính chất điện tử và từ tính của bề mặt Cr2O3 monolayer HK, từ đó tạo điều kiện cho ứng dụng tiềm năng của chúng trong spintronics.
Từ khóa
#bề mặt Cr2O3 monolayer #tổ ong-kagome #tính chất điện tử #tính chất từ tính #hấp phụ khí #nhiệt độ Curie #spintronicsTài liệu tham khảo
L.-P. Tang, L.-M. Tang, D. Wang, H.-X. Deng, K.-Q. Chen, Metal and ligand effects on the stability and electronic properties of crystalline two-dimensional metal-benzenehexathiolate coordination compounds. J. Phys. Condens. Matter 30, 465301 (2018). https://doi.org/10.1088/1361-648X/aae618
G. Xie, D. Ding, G. Zhang, Phonon coherence and its effect on thermal conductivity of nanostructures. Adv. Phys. X. 3, 1480417 (2018). https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1480417
D. Wang, L.-M. Tang, X.-X. Jiang, J.-Y. Tan, M.-D. He, X.-J. Wang, K.-Q. Chen, High bipolar conductivity and robust in-plane spontaneous electric polarization in selenene. Adv. Electron. Mater. 5, 1800475 (2019). https://doi.org/10.1002/aelm.201800475
C. Liu, G. Zhao, T. Hu, Y. Chen, S. Cao, L. Bellaiche, W. Ren, Ferromagnetism, Jahn-Teller effect, and orbital order in the two-dimensional monolayer perovskite ${\mathrm{Rb}}_{2}{\mathrm{CuCl}}_{4}$. Phys. Rev. B 104, L241105 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.L241105
B. Wu, Y. Song, W. Ji, P. Wang, S. Zhang, C. Zhang, Quantum anomalous Hall effect in an antiferromagnetic monolayer of MoO. Phys. Rev. B 107, 214419 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.214419
H. Sun, S.-S. Li, W. Ji, C.-W. Zhang, Valley-dependent topological phase transition and quantum anomalous valley Hall effect in single-layer RuClBr. Phys. Rev. B 105, 195112 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.195112
S. Zhang, C. Zhang, S. Zhang, W. Ji, P. Li, P. Wang, S. Li, S. Yan, Intrinsic Dirac half-metal and quantum anomalous Hall phase in a hexagonal metal-oxide lattice. Phys. Rev. B 96, 205433 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.205433
K. Jia, X.-J. Dong, S.-S. Li, W.-X. Ji, C.-W. Zhang, Spontaneous valley polarization and valley-nonequilibrium quantum anomalous Hall effect in Janus monolayer ScBr I. Nanoscale 15, 8395–8405 (2023). https://doi.org/10.1039/D2NR07221A
F.H.L. Koppens, T. Mueller, P. Avouris, A.C. Ferrari, M.S. Vitiello, M. Polini, Photodetectors based on graphene, other two-dimensional materials and hybrid systems. Nat. Nanotechnol. 9, 780–793 (2014). https://doi.org/10.1038/nnano.2014.215
F. Schwierz, J. Pezoldt, R. Granzner, Two-dimensional materials and their prospects in transistor electronics. Nanoscale 7, 8261–8283 (2015). https://doi.org/10.1039/C5NR01052G
Y. Zhang, T.-T. Tang, C. Girit, Z. Hao, M.C. Martin, A. Zettl, M.F. Crommie, Y.R. Shen, F. Wang, Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene. Nature 459, 820–823 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08105
W. Zhang, C.-T. Lin, K.-K. Liu, T. Tite, C.-Y. Su, C.-H. Chang, Y.-H. Lee, C.-W. Chu, K.-H. Wei, J.-L. Kuo, L.-J. Li, Opening an electrical band gap of bilayer graphene with molecular doping. ACS Nano 5, 7517–7524 (2011). https://doi.org/10.1021/nn202463g
M.Z.S. Flores, P.A.S. Autreto, S.B. Legoas, D.S. Galvao, Graphene to graphane: a theoretical study. Nanotechnology 20, 465704 (2009). https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/46/465704
J.O. Sofo, A.S. Chaudhari, G.D. Barber, Graphane: a two-dimensional hydrocarbon. Phys. Rev. B 75, 153401 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.153401
M. Moaied, Y.S. Lim, J. Hong, Hydrogenated black phosphorus single layer. Phys. E Low-Dimens. Syst. Nanostructures. 104, 333–339 (2018). https://doi.org/10.1016/j.physe.2018.07.013
M.U. Farooq, I. Khan, M. Moaied, J. Hong, Hydrogen functionalization induced two-dimensional ferromagnetic semiconductor in Mn di-halide systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 29516–29524 (2017). https://doi.org/10.1039/C7CP05732F
M. Moaied, S. Soliman, Two-dimensional semiconductors of Cr–X3–H3 (X = O, S, Se, and Te) structures with large magnetic anisotropy and high Curie temperature. Phys. Scr. 97, 125813 (2022). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac9d71
X. Ma, W. Mi, Surface functionalization tailored electronic structure and magnetic properties of two-dimensional CrC2 monolayers. J. Phys. Chem. C 124, 3095–3106 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b10598
S.N. Reed-Lingenfelter, M. Wang, N.L. Williams, J.J. Cha, Surface functionalization for magnetic property tuning of nonmagnetic 2D materials. Adv. Mater. Interfaces 9, 2100463 (2022). https://doi.org/10.1002/admi.202100463
L. Daukiya, J. Seibel, S. De Feyter, Chemical modification of 2D materials using molecules and assemblies of molecules. Adv. Phys. X. 4, 1625723 (2019). https://doi.org/10.1080/23746149.2019.1625723
H. Gao, L. Wang, J. Zhao, F. Ding, J. Lu, Band gap tuning of hydrogenated graphene: H coverage and configuration dependence J. Phys. Chem. C 115, 3236–3242 (2011). https://doi.org/10.1021/jp1094454
V. Georgakilas, M. Otyepka, A.B. Bourlinos, V. Chandra, N. Kim, K.C. Kemp, P. Hobza, R. Zboril, K.S. Kim, Functionalization of graphene: Covalent and non-covalent approaches, derivatives and applications. Chem. Rev. 112, 6156–6214 (2012). https://doi.org/10.1021/cr3000412
J.H. Jørgensen, A.G. Čabo, R. Balog, L. Kyhl, M.N. Groves, A.M. Cassidy, A. Bruix, M. Bianchi, M. Dendzik, M.A. Arman, L. Lammich, J.I. Pascual, J. Knudsen, B. Hammer, P. Hofmann, L. Hornekaer, Symmetry-driven band gap engineering in hydrogen functionalized graphene. ACS Nano 10, 10798–10807 (2016). https://doi.org/10.1021/acsnano.6b04671
F. Withers, S. Russo, M. Dubois, M.F. Craciun, Tuning the electronic transport properties of graphene through functionalisation with fluorine. Nanoscale Res. Lett. 6, 526 (2011). https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-526
H. González-Herrero, J.M. Gómez-Rodríguez, P. Mallet, M. Moaied, J.J. Palacios, C. Salgado, M.M. Ugeda, J.-Y. Veuillen, F. Yndurain, I. Brihuega, Atomic-scale control of graphene magnetism by using hydrogen atoms. Science 352, 437–441 (2016). https://doi.org/10.1126/science.aad8038
M. Moaied, J.V. Alvarez, J.J. Palacios, Hydrogenation-induced ferromagnetism on graphite surfaces. Phys. Rev. B 90, 115441 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115441
M. Moaied, J.A. Moreno, M.J. Caturla, F. Ynduráin, J.J. Palacios, Theoretical study of the dynamics of atomic hydrogen adsorbed on graphene multilayers. Phys. Rev. B 91, 155419 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.155419
M. Moaied, J. Hong, Tuning the magnetic properties of hydrogenated bilayer graphene and graphene/h-BN heterostructures by compressive pressures. Carbon 131, 266–274 (2018). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.01.102
C. Zhao, H. Zhang, W. Si, H. Wu, Mass production of two-dimensional oxides by rapid heating of hydrous chlorides. Nat. Commun. 7, 12543 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms12543
A. Hashmi, K. Nakanishi, M.U. Farooq, T. Ono, Ising ferromagnetism and robust half-metallicity in two-dimensional honeycomb-kagome Cr2O3 layer. Npj 2D Mater. Appl. 4, 1–8 (2020). https://doi.org/10.1038/s41699-020-00174-0
B. Huang, G. Clark, E. Navarro-Moratalla, D.R. Klein, R. Cheng, K.L. Seyler, D. Zhong, E. Schmidgall, M.A. McGuire, D.H. Cobden, W. Yao, D. Xiao, P. Jarillo-Herrero, X. Xu, Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature 546, 270–273 (2017). https://doi.org/10.1038/nature22391
C. Gong, L. Li, Z. Li, H. Ji, A. Stern, Y. Xia, T. Cao, W. Bao, C. Wang, Y. Wang, Z.Q. Qiu, R.J. Cava, S.G. Louie, J. Xia, X. Zhang, Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals. Nature 546, 265–269 (2017). https://doi.org/10.1038/nature22060
H.L. Zhuang, Y. Xie, P.R.C. Kent, P. Ganesh, Computational discovery of ferromagnetic semiconducting single-layer ${\mathrm{CrSnTe}}_{3}$. Phys. Rev. B 92, 035407 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.035407
M. Moaied, J. Lee, J. Hong, A 2D ferromagnetic semiconductor in monolayer Cr-trihalide and its Janus structures. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 21755–21763 (2018). https://doi.org/10.1039/C8CP03489C
P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A.D. Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R. Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari, R.M. Wentzcovitch, QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Phys. Condens. Matter 21, 395502 (2009). https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M. Buongiorno Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, M. Cococcioni, N. Colonna, I. Carnimeo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, P. Delugas, R.A. DiStasio, A. Ferretti, A. Floris, G. Fratesi, G. Fugallo, R. Gebauer, U. Gerstmann, F. Giustino, T. Gorni, J. Jia, M. Kawamura, H.-Y. Ko, A. Kokalj, E. Küçükbenli, M. Lazzeri, M. Marsili, N. Marzari, F. Mauri, N.L. Nguyen, H.-V. Nguyen, A. Otero-de-la-Roza, L. Paulatto, S. Poncé, D. Rocca, R. Sabatini, B. Santra, M. Schlipf, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, I. Timrov, T. Thonhauser, P. Umari, N. Vast, X. Wu, S. Baroni, Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO, J. Phys. Condens. Matter Inst. Phys. J. 29, 465901 (2017). https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79.
P. Hohenberg, W. Kohn, Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev. 136, B864–B871 (1964). https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
W. Kohn, L.J. Sham, Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev. 140, A1133–A1138 (1965). https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
P.E. Blöchl, Projector augmented-wave method. Phys. Rev. B 50, 17953–17979 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953
D.C. Liu, J. Nocedal, On the limited memory BFGS method for large scale optimization. Math. Program. 45, 503–528 (1989). https://doi.org/10.1007/BF01589116
D. Vanderbilt, Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism. Phys. Rev. B 41, 7892–7895 (1990). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892
R.F.L. Evans, W.J. Fan, P. Chureemart, T.A. Ostler, M.O.A. Ellis, R.W. Chantrell, Atomistic spin model simulations of magnetic nanomaterials. J. Phys. Condens. Matter 26, 103202 (2014). https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/10/103202
R.F.L. Evans, Vampire, (2016). http://vampire.york.ac.uk/.