Двумерные сплавы Януса для спинтроники на примере Fe₂I₃Br₃

Аннотация

Двумерные (2D) монослои Януса с зеркальной асимметрией обладают исключительными физическими свойствами. Это означает, что их можно применять в оптоэлектронных, электронных и электромеханических устройствах нового поколения. Проведено первопринципное исследование электронных и магнитных свойств 2D-монослоя Януса Fe₂I₃Br₃ в рамках теории функционала плотности. Создана кристаллографическая модель сплава Януса Fe₂I₃Br₃, рассчитана его равновесная структура и определены электронные, магнитные и механические свойства. Показано, что 2D-монослои Януса Fe₂I₃Br₃ динамически и термодинамически стабильны, о чем свидетельствуют результаты расчетов фононных спектров и энергий образования, а также демонстрируют полупроводниковую природу. Зонная структура Fe₂I₃Br₃ имеет спин-поляризованное антиферромагнитное упорядочение шириной запрещенной зоны около 1 эВ. Температура Нееля составила 75 K. В материалах такого типа можно реализовать состояния, которые трудно или практически невозможно получить в объемных магнитных образцах. Полученные результаты могут внести вклад в развитие науки о двумерных функциональных материалах, которые найдут применение в различных областях наноиндустрии

Результаты получены с использованием оборудования ЦКП "Дальневосточный вычислительный ресурс" ИАПУ ДВО РАН (https://cc.dvo.ru). Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 25-23-20239)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Мединцева Т.В., Карцев А.И., Тарасов Ю.И. Двумерные сплавы Януса для спинтроники на примере Fe₂I₃Br₃. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2026, № 3 (126), с. 40--52. EDN: LMUUFH

Литература

[1] Negedu S.D., Kartsev A., Palit M., et al. Energy harvesting from atomically thin Co₂Te₃. J. Phys. Chem. C, 2022, vol. 126, iss. 30, pp. 12545--12553. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c02102

[2] Gowda C.C., Kartsev A., Tiwari N., et al. Harvesting magneto-acoustic waves using magnetic two-dimensional chromium telluride (CrTe₃). arXiv:2406.15029. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.15029

[3] Gowda C.C., Kartsev A., Tiwari N., et al. Non-thermal magnetic deicing using two-dimensional chromium telluride. J. Mater. Chem. C, 2024, vol. 12, iss. 46, pp. 18691--18703. DOI: https://doi.org/10.1039/D4TC02542C

[4] Rassekh M., He J., Shayesteh S.F., et al. Remarkably enhanced curie temperature in monolayer cri3 by hydrogen and oxygen adsorption: a first-principles calculations. Comput. Mater. Sci., 2020, vol. 183, art. 109820. DOI: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109820

[5] Wang Z., Gutierrez Lezama I., Ubrig N., et al. Very large tunneling magnetoresistance in layered magnetic semiconductor CrI₃. Nat. Commun., 2018, vol. 9, art. 2516. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04953-8

[6] Yue W., Shan J., Jiao R., et al. Strain-controlled electronic and magnetic properties of Janus nitride MXene monolayer MnCrNO₂. Appl. Sci., 2024, vol. 14, iss. 18, art. 8427. DOI: https://doi.org/10.3390/app14188427

[7] Huynh T.P.T., Vo V.O., Guerrero-Sanchez J., et al. Effects of vacancy and Ge substitution in Janus Si₂PAs monolayer: site-dependent electronic and magnetic properties. Appl. Phys. A, 2024, vol. 130, no. 8, art. 571. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-024-07719-w

[8] Trinh T.H., Ha C.V., Guerrero-Sanchez J., et al. Electronic and magnetic properties of Janus ZrSSe monolayer doped with V impurity and VX₃ (X = C, N, O, and F) clusters. Phys. Scr., 2024, vol. 99, art. 105942. DOI: https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad7421

[9] Ren K., Wang K., Zhang G. Atomic adsorption-controlled magnetic properties of a two-dimensional (2D) Janus monolayer. ACS Appl. Electron. Mater., 2022, vol. 4, iss. 9, pp. 4689--4697. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00740

[10] Wu Y.-L., Zeng Z.-Y., Geng H.-Y., et al. Electronic structures and magnetic properties of Janus NbSSe monolayer controlled by carrier doping. J. Appl. Phys., 2024, vol. 136, no. 9, art. 093904. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0231503

[11] Rimmler B.H., Pal B., Parkin S.S.P. Non-collinear antiferromagnetic spintronics. Nat. Rev. Mater., 2025, vol. 10, pp. 109--127. DOI: https://doi.org/10.1038/s41578-024-00706-w

[12] Shi J., Arpaci S., Lopez-Dominguez V., et al. Electrically controlled all-antiferro-magnetic tunnel junctions on silicon with large room-temperature magnetoresistance. Adv. Mater., 2024, vol. 36, art. 2312008. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202312008

[13] Chen H., Liu L., Zhou X., et al. Emerging antiferromagnets for spintronics. Adv. Mater., 2024, vol. 36, no. 14, art. 2310379. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202310379

[14] Shao D.F., Tsymbal E.Y. Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics. npj Spintronics, 2024, vol. 2, art. 13. DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-024-00014-7

[15] Xu F., Dai S., Cen W., et al. Study on the piezoelectric properties and the mechanism of strain-regulated piezoelectricity in flexible Janus monolayers Cr₂X₃Y₃ (X/Y = Cl, Br, I). Phys. Scr., 2024, vol. 99, no. 2, art. 025987. DOI: https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad1da0

[16] Zhang F., Mi W., Wang X. Spin-dependent electronic structure and magnetic anisotropy of 2D ferromagnetic Janus Cr₂I₃X₃ (X = Br, Cl) monolayers. Adv. Electron. Mater., 2020, vol. 6, no. 1, art. 1900778. DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.201900778

[17] Ghobadi N., Gholami S., Soleimani-Amiri S. Electronic, spintronic, and piezoelectric properties of new Janus ZnAXY (A = Si, Ge, Sn; X, Y = S, Se, Te) monolayers. Phys. Rev. B, 2023, vol. 107, art. 075443. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.075443

[18] Zeng H., Jin S., Wang J., et al. Ferromagnetic half-metal with high curie temperature: Janus Mn2PAs monolayer. J. Mater. Sci., 2021, vol. 56, iss. 23, pp. 13215--13226. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-021-06158-9

[19] Xu H.-Q., Xiao G., Xiao W.-Z., et al. Piezoelectricity and optical properties of Janus MXY (M = Sb, As; X = Te, Se; Y = Br, I) monolayers. Micro Nanostruct., 2022, vol. 170, art. 207396. DOI: https://doi.org/10.1016/j.micrna.2022.207396

[20] Yang Q., Wang D., Zeng Z.-Y., et al. High-performance photocatalytic and piezoelectric properties of two-dimensional transition metal oxyhalide ZrOX₂ (X = Br, I) and their Janus structures. Phys. Rev. B, 2024, vol. 109, art. 035411. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.035411

[21] Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B, 1976, vol. 13, no. 12, pp. 5188--5192. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188

[22] Grimme S., Antony J., Ehrlich S., et al. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H--Pu. J. Chem. Phys., 2010, vol. 132, iss. 15, art. 154104. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3382344

[23] Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem., 2011, vol. 32, iss. 7, pp. 1456--1465. DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.21759

[24] Bader R.F.W. Atoms in molecules: a quantum theory. Oxford Univ. Press, 1991.

[25] Becke A.D., Edgecombe K.E. A simple measure of electron localization in atomic and molecular systems. J. Chem. Phys., 1990, vol. 92, iss. 9, pp. 5397--5403. DOI: https://doi.org/10.1063/1.458517

[26] Tang W., Sanville E., Henkelman G. A grid-based Bader analysis algorithm without lattice bias. J. Phys.: Condens. Matter, 2009, vol. 21, iss. 8, art. 084204. DOI: https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/8/084204

[27] Kartsev A., Obraztsov K., Lega P. Magnetic properties of metal dichalcogenide in the frame of Heisenberg-like model: DFT and Monte-Carlo methods. J. Commun. Technol. Electron., 2023, vol. 68, no. 10, pp. 1169--1190. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064226923100054

[28] Kartsev A., Malkovsky S., Chibisov A. Analysis of ionicity-magnetism competition in 2D-MX3 halides towards a low-dimensional materials study based on GPU-enabled computational systems. Nanomaterials, 2021, vol. 11, iss. 11, art. 2967. DOI: https://doi.org/10.3390/nano11112967

[29] Guo Y., Zhang X., Huang Z., et al. Quantum materials for spintronic applications. npj Spintronics, 2024, vol. 2, art. 36. DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-024-00038-z