전이 금속 원자의 흡착에 의한 Janus WSSe 단층의 자기 특성 조작

결과 및 토론

Janus WSSe 단층에서 TM 원자의 흡착을 시뮬레이션하기 위해 먼저 그림 1a와 같이 48개 원자로 구성된 단층 WSSe 슈퍼셀을 구성합니다. 깨끗한 Janus WSSe 단층은 공간 C_3v를 가지고 있습니다. 대칭성을 가지며 S 원자 한 층, W 원자 한 층, Se 원자 한 층으로 된 샌드위치 구조를 나타냅니다. 단층 두께는 3.35Å로 계산됩니다. 평면 투영은 격자 상수가 3.24Å인 이상적인 육각형 벌집 구조를 보여줍니다. W-S의 결합 길이(d_W-S ) 및 W-Se(d_W-Se )는 각각 2.42Å 및 2.54Å이고 결합각 θ_S-W-Se 이전 보고서[37]와 일치하는 81.76°입니다. 그림 1b는 단층 WSSe의 평면 평균 정전기 위치 에너지를 보여줍니다. 여기서 Z ₀ 단위 셀의 두께, Z 는 좌표 변수이고 Z /Z ₀ 단위 셀의 상대 위치를 의미합니다. 예상대로 Z를 따라 깨진 거울 대칭 방향에 따라 S 및 Se 표면에서 서로 다른 전위 에너지가 발생하고 S 표면은 더 큰 정전기 전위를 갖습니다. 한편, Janus WSSe 단층의 스핀 분해 DOS도 계산했습니다. 그림 1c와 같이 스핀업 및 스핀다운 채널의 DOS가 대칭적으로 분포되어 접지 상태가 비자성임을 나타냅니다. 또한 Janus WSSe 단층의 밴드 갭은 WS₂의 밴드 갭 사이인 약 1.7 eV임을 알 수 있습니다. [38] 및 WSe₂ [39].

아 Janus WSSe 단층의 평면도 및 측면도. ㄴ WSSe 단층의 평균 면내 정전기 전위 분포. ㄷ 원시 Janus WSSe 단층의 총 DOS

Janus WSSe에서 자기를 유도하기 위해 5가지 다른 종류의 3d-TM 원자(Co, Fe, Mn, Cr 및 V)가 단층 WSSe 표면에 흡착되도록 채택되었습니다. 구조적 대칭성 때문에 S 또는 Se 층의 원자 흡착에 대해 세 가지 가능한 흡착 사이트가 고려됩니다. 그림 2와 같이 세 가지 경우가 W 원자의 상단에 있습니다(T_WS로 라벨링됨). 또는 T_WSe ), 육각 링의 중공(H_S으로 표시됨) 또는 H_Se ) 및 S(Se) 원자의 상단(T_S으로 표시됨) 또는 T_Se ). 이러한 구성에 대한 총 에너지는 가장 안정적인 흡착 사이트를 결정하기 위해 계산됩니다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. TM 원자가 T_WS에 위치할 때 분명히 알 수 있다. 또는 T_WSe , 시스템은 가장 낮은 에너지를 가지며 W 원자의 상단이 가장 안정적인 흡착 사이트임을 나타냅니다. 따라서 전자 구조 및 자기 특성에 대한 다음 계산은 모두 이 구성을 기반으로 합니다. 표 2는 본드 길이(d_W-S , d_W-Se 및 d_TM-S(Se) ), 높이 차이(∆h ) 상층 S(Se) 원자와 TM 원자 사이, 총 자기 모멘트 M_T , 국부 자기 모멘트 M_L TM 원자 및 MAE. 분명히, d_W-S의 구조 매개변수는 및 d_W-Se 원시 Janus WSSe의 것과 다릅니다. TM 원자가 WSSe의 S면에 흡착된 경우, d_W-S d_W-Se 거의 동일하게 유지됩니다(2.54 Å). 유사하게, 이 거동은 TM 원자가 d_W-Se 도 확장된다. 이는 TM 원자와 이웃하는 S(Se) 원자 사이의 공유 상호작용이 W와 S(Se) 사이의 결합을 약화시켜 W-S(Se) 결합의 확장으로 이어지기 때문이다. 또한, d_TM-S(Se) 다른 흡착 표면에 대한 ∆h는 구별됩니다. 그들은 그림 1b에서 알 수 있듯이 S 원자에 대한 더 강한 전기 음성도로 인해 S 흡착 표면에 대해 더 작은 값을 나타냅니다.

다양한 구성의 평면도 및 측면도. 아 , d TM 원자는 W 원자의 상단에 위치합니다. ㄴ , e TM 원자는 속이 빈 사이트에 위치합니다. ㄷ , f TM 원자는 S(Se) 원자의 상단에 위치합니다.

다음에서 우리는 TM 원자의 흡착 후 Janus WSSe의 자기 거동에 초점을 맞춥니다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 상이한 구성에 대한 구별되는 자기가 관찰된다. 최대 M_T 6 μB의 Cr 흡착 시스템에서 얻어집니다. 흥미롭게도, 다른 흡착 표면은 M_T에서 명백한 차이를 일으키지 않습니다. , M_L 에는 비교적 큰 차이가 있지만 . 계산된 M_L Co, Fe, Mn, Cr 및 V 원자에 대해 S 표면에서 각각 0.92, 1.83, 2.73, 4.80 및 2.90 μB이고 Se 표면에서 0.93, 1.88, 2.78, 4.86 및 2.98 μB입니다. 특히 M_L S 표면의 S 표면은 각 종류의 TM 원자에 대해 Se 표면의 것보다 항상 작으며, 이는 S 흡착 표면의 경우 Janus WSSe에서 더 강한 유도 자기를 나타냅니다.

서로 다른 시스템의 자기 특성에 대한 통찰력을 얻기 위해 그림 3에 표시된 결과로 스핀 분해 총 DOS를 계산합니다. 양수 및 음수 값은 각각 다수 및 소수 스핀 채널을 나타내며 페르미 준위가 설정됩니다. 제로. 모든 시스템에서 다수 및 소수 스핀 상태는 비대칭 특성을 나타내어 자기의 존재를 확인합니다. 그림 1c에 표시된 순수 Janus WSSe의 DOS와 비교하여 일부 새로운 불순물 상태가 모든 시스템의 밴드갭에 나타납니다. 이러한 불순물 상태는 주로 TM-3d 상태, 첫 번째 가장 가까운 S-3p 또는 Se-3p 상태와 두 번째로 가까운 W-5d 상태의 소량의 혼성화에 기인합니다[22]. TM-3d 궤도의 국소화로 인해 불순물 상태는 좁은 에너지 범위를 나타냅니다. 특히 Co, Fe 및 Mn 흡착의 경우 페르미 준위 주변에서 유도된 불순물 상태는 소수 스핀 채널에만 분포하여 100% 스핀 분극을 나타냅니다. 반면에 다른 두 경우에는 밴드 갭에 대부분의 스핀 상태만 있습니다. 또한 서로 다른 흡착 표면에 대한 내부 정전기 전위의 영향으로 인해 불순물 상태의 에너지 준위와 강도가 약간 다릅니다. 이러한 결과는 자기적 특성이 흡착원소와 흡착제 칼코겐층에 크게 의존함을 시사한다.

다른 TM 원자 흡착 WSSe 단층의 스핀-편광 총 DOS. 아 , b 공동; ㄷ , d 철; 이 , f 망; 지 , h 크롬; 나 , j V

다른 시스템에서 자기의 기원을 더 밝히기 위해 차동 전하 밀도가 계산됩니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 TM 원자와 가장 가까운 인접 칼코겐 원자 주변에는 강한 음의 차동 전하 밀도가 있습니다. TM-S(Se) 결합의 중간에 있는 동안 상당한 전하 축적이 관찰됩니다. 이것은 TM 원자와 칼코겐 원자가 공유 결합으로 결합되어 있음을 의미합니다. TM-S 결합 사이의 전하 축적은 TM-Se 결합 사이의 전하 축적보다 더 분명하며, 이는 더 강한 공유 상호 작용과 더 짧은 결합 길이를 나타냅니다. 한편, z 방향을 따른 내부 전기장으로 인해 TM 원자와 하부 W 원자 사이에 적은 수의 전하가 축적된다. Cr 및 V 흡착의 경우 전하 축적은 다른 경우보다 작으며 이는 표 2에 표시된 상대적으로 긴 결합 길이와 일치합니다. TM 원자와 WSSe 층 사이의 전하 이동은 감소로 이어집니다. 한편으로는 TM 원자의 자기 모멘트를 감소시키고 다른 한편으로는 WSSe의 자기를 유도하는 TM 원자의 짝을 이루지 않은 전자의.

서로 다른 TM 원자 흡착 시스템의 차동 전하 밀도. 아 공동; ㄴ 철; ㄷ 망; d 크롬; 이 V

다른 시스템에 대한 자기 등방성도 조사됩니다. 계산된 결과는 표 2에 나와 있습니다. 양수 및 음수 MAE는 각각 시스템의 수직 및 평행 용이 자화 축을 나타냅니다. Cr- 및 V-흡착 시스템은 음의 MAE를 갖는 반면 Mn- 및 Co-흡착 시스템은 양의 MAE를 나타내어 용이한 자화 축이 각각 면내 및 면외임을 보여줍니다. 다른 흡착 표면은 MAE에 약간의 변화를 일으키지만 쉬운 자화 축의 변화를 일으키지 않습니다. 흥미롭게도 Fe 흡착 시스템의 특성은 완전히 다릅니다. 흡착 표면이 Se에서 S로 변경될 때 쉬운 자화 축은 면내(MAE:−0.95meV)에서 면외(MAE:2.66meV)로 전환됩니다.

Fe 흡수 시스템에서 변경된 MAE의 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 그림 5와 같은 결과로 Fe-3d 궤도 분해 DOS를 계산했습니다. 2차 섭동 이론에 따르면 [23, 40,41,42 ], SOC에서 발생하는 MAE는 대략 다음과 같이 공식화될 수 있습니다.

흡착 표면이 다른 Fe 흡착 시스템의 DOS, a S 흡착 표면에; ㄴ Se 흡착 표면에 ㄷ –지 S 표면에 흡착된 Fe 원자의 3d 궤도 분해 DOS. 아 –나 Se 표면에 흡착된 Fe 원자의 3d 궤도 분해 DOS

여기서 σ ↓(↑), μ ↓(↑) 및 Eσ , Eμ 스핀 상태(↓또는↑)로 점유(비점유) 상태의 고유 상태 및 고유값을 각각 나타냅니다. \(\xi\)는 SOC의 강도를 나타냅니다. 엘즈 및 Lx 각운동량 연산자를 나타냅니다. SOC는 Hamiltonian에서 섭동 항으로 간주되며 MAE는 각운동량 Lz의 결합을 통해 점유 상태와 비점유 상태 사이의 에너지 차이로 표현됩니다. 및 Lx . 일반적으로 MAE는 Lz에서 0이 아닌 요소에 의해 결정됩니다. 및 Lx 페르미 준위 근처의 행렬. 동일한 스핀 상태(↓↓또는 ↑↑)의 경우, 점유 상태와 비점유 상태가 동일한 자기 양자수 m일 때 , 그들은 운영자 Lz의 행동에 따라 MAE에 긍정적인 기여를 합니다.; 다른 m , MAE에 대한 부정적인 기여는 연산자 Lx의 동작을 통해 이루어집니다. . 다른 스핀 상태(↓↑ 또는 ↑↓)의 경우 기여도는 정반대입니다. 0이 아닌 행렬 요소에는 <xz가 포함됩니다. | 엘즈 | 이즈> =1, <xy | 엘 _Z | x ² -y ² > =2, <z ² | Lx | xz, yz> =\(\제곱 3\), <xy | Lx | xz, yz> =1, <x ² - y ² | Lx | xz, yz> =1. 우리의 경우 그림 5a, b와 같이 페르미 준위 부근에서 소수 스핀 상태만 나타나므로 MAE를 결정합니다. 리간드장 이론은 결정장 이론과 분자 궤도 이론의 결합으로 배위 화합물의 결합을 설명하고 중심 원자 궤도의 변화를 분석하는 데 사용할 수 있습니다[43]. 리간드장 이론에 따르면 C_3v 대칭은 퇴화된 Fe-3d 궤도를 세 가지 상태로 분할합니다. 단일 상태 a (디z ² , |m |=0), 퇴화 상태 e ₁ (디yz, dxz, |저 |=1) 및 e ₂ (dxy, dx ² −y ² , |m |=2). 그림 5c-g에서와 같이 Fe가 S 표면에 흡착될 때 DOS는 주로 dxz, dyz, dxy를 포함합니다. , 및 dx ² -y ² 소수의 스핀 상태 및 MAE에 대한 상당한 양의 기여는 스핀 보존 항 <xz에서 비롯됩니다. | 엘즈 | 이즈> =1 및 <xy | 엘즈 | x ² -y ² > =2인 반면 상대적으로 약한 음의 기여는 스핀 보존 항 <xy에서 비롯됩니다. | Lx | xz, yz> =1, <x ² - y ² | Lx | xz, yz> =1. 결과적으로 2.66meV의 양의 MAE가 달성됩니다. Se 표면에 흡착된 Fe의 경우 dxz 그리고 dyz 소수 스핀 상태가 극적으로 감소하고 결과적으로 긍정적 기여 기간 <xz의 상당한 감소로 인해 MAE가 -0.95meV로 감소합니다. | 엘즈 | 이즈>.

시스템의 전자적 및 자기적 특성은 서로 다른 흡착 요소와 서로 다른 흡착 표면에 의존하기 때문에 실험에서 TM 원자 침착의 정확한 검출을 달성하는 것은 본질적으로 중요하며 MAE 엔지니어링에 도전이 될 수 있습니다. 이러한 관점에서, 자기 팁이 장착된 스핀 편광 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여 흡착 부위 근처의 스핀 상태에 대한 통찰력을 얻을 수 있으며 X선 자기 원형 이색성(XMCD) 측정도 수행할 수 있습니다. Janus 물질에 있는 TM 원자의 자기 모멘트 정보와 MAE를 조사하기 위해 [44].