mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-4-47-54STUTJWmireabulletin-1210Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSПервопринципный расчет электронной структуры монослоя CeI3Ab initio calculations of the electronic structure of CeI3 monolayerhttps://orcid.org/0009-0003-4874-7015МирзоеваЕ. Т.MirzoevaElizaveta T.

Мирзоева Елизавета Теофиловна, магистрант, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Elizaveta T. Mirzoeva, Master Student, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

mirzoeva.elizaveta@gmail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2126-7404КудрявцевА. В.KudryavtsevAndrey V.

Кудрявцев Андрей Владимирович, к.ф.-м.н., доцент, научный сотрудник, кафедра наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 55219889700

ResearcherID O-1457-2016

Andrey V. Kudryavtsev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Researcher, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 55219889700

ResearcherID O-1457-2016

kudryavcev_a@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2025060820251344754Copyright © Мирзоева Е.Т., Кудрявцев А.В., 20252025Мирзоева Е.Т., Кудрявцев А.В.Mirzoeva E.T., Kudryavtsev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1210Цели

Цели. Двумерные магнетики, благодаря своим уникальным характеристикам и качественно новым физическим свойствам по сравнению с объемными структурами, обладают значительным потенциалом для применения в спинтронике и магнитных запоминающих устройствах. Теоретические исследования двумерных магнитных структур позволяют сузить область поиска новых соединений и дополнить экспериментальные данные. Целью данной работы является теоретический расчет электронной структуры двумерного магнетика CeI3, включающий учет хаббардовского отталкивания на узле, расчет парциальной плотности электронных состояний и расчет распределения спиновых и зарядовых плотностей.

Методы

Методы. Расчеты электронной структуры монослоя CeI3 выполнены с использованием программного пакета VASP в рамках теории функционала плотности, а также в рамках теории функционала плотности с учетом поправки Хаббарда. Для учета поправки Хаббарда использовался метод Дударева.

Результаты

Результаты. Рассчитаны энергетические плотности электронных состояний и величины запрещенных зон для ферро- и антиферромагнитной конфигураций материала, равные соответственно 1.98 и 2.08 эВ. Для оценки влияния корреляционных эффектов проведен расчет плотностей состояний как с учетом поправки Хаббарда, так и без него. Определено, что в основном магнитном состоянии система проявляет антиферромагнитное упорядочение спиновой подсистемы. Разница полных энергий с ферромагнитной конфигурацией составила 2.8 мэВ на формульную единицу.

Выводы

Выводы. Учет поправки Хаббарда наглядно продемонстрировал наличие характерной для полупроводниковых материалов запрещенной зоны. Полученные ширины запрещенной зоны для ферромагнитной и антиферромагнитной конфигураций системы относятся к диапазону видимого света, что открывает возможности использования двумерного CeI3 в качестве люминесцентного материала в устройствах с магнитным управлением излучения. Представленные результаты согласуются с обобщенными результатами экспериментальных исследований соединений на основе церия. Учет корреляционных эффектов и поляризации по спину в представленных расчетах открывает горизонт для дальнейшего изучения магнитных свойств монослоя CeI3 для технологических применений в области двумерного магнетизма.

Objectives

Objectives. In comparison with three-dimensional structures, two-dimensional (2D) magnetic materials are promising for use in spintronics and magnetic storage devices due to their exceptional characteristics and qualitatively different physical properties. Theoretical studies into 2D magnetic structures pave the way for the development of new compounds based on experimental data. In this work, we carry out a theoretical calculation of the electronic structure of a CeI3 2D-magnetic material, taking into account the Hubbard repulsion at the site, the partial density of electronic states (DOS), and the distribution of spin and charge densities.

Methods

Methods. Calculations of the electronic structure of the CeI3 monolayer were performed using density functional theory (DFT) and the Hubbard Uscheme in the VASP software environment. The Dudarev method was used to account for the Hubbard correction.

Results

Results. The calculated densities ofthe electronic states and the bandgap values for the ferro- and antiferromagnetic configurations of the material were found to be 1.98 and 2.08 eV, respectively. To assess the influence of correlation effects, the DOS was calculated both with and without the Hubbard correction. It was determined that the system in the ground magnetic state exhibits an antiferromagnetic ordering of the spin subsystem. The difference in the total energies of the antiferro- and ferromagnetic configurations was 2.8 meV per formula unit.

Conclusions

Conclusions. The calculations based on the Hubbard correction clearly demonstrated the presence of a bandgap, which is typical of semiconductor materials. The obtained bandgaps for the ferromagnetic and antiferromagnetic configurations of the system belong to the visible light range, which offers the opportunity of using 2D CeI3 as a luminescent material in devices with a magnetically controlled emission. To assess the influence of correlation effects, the DOS was calculated both with and without the Hubbard correction. The obtained results agree with those obtained in experimental studies of cerium compounds. The consideration of correlation effects and spin polarization in the presented calculations forms the basis for further research into the magnetic properties of the CeI3 monolayer for technological applications in the field of 2D magnetism.

двумерный магнетизмтеория функционала плотностипоправка Хаббардаредкоземельные металлыплотность электронных состоянийлюминесценцияtwo-dimensional magnetism2D magnetismdensity functional theoryDFTHubbard correctionrareearth metalsdensity of electronic statesluminescenceРасчеты выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования вычислительными ресурсами МСЦ Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».The calculations were performed using the equipment of the Center for the Collective Use of Computing Resources of the National Research Center “Kurchatov Institute.”ReferencesTan H., Shan G., Zhang J. Prediction of novel two-dimensional room-temperature ferromagnetic rare-earth material – GdB2N2 with large perpendicular magnetic anisotropy. Mater. Today Phys. 2022;24:100700. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100700Tan H., Shan G., Zhang J. Prediction of novel two-dimensional room-temperature ferromagnetic rare-earth material – GdB2N2 with large perpendicular magnetic anisotropy. Mater. Today Phys. 2022;24:100700. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100700Vobornik I., Manju U., Fujii J., Borgatti F., Torelli P., Krizmancic D., Hor Y.S., Cava R.J., Panaccione G. Magnetic proximity effect as a pathway to spintronic applications of topological insulators. Nano Lett. 2011;11(10):4079–4082. https://doi.org/10.1021/nl201275qVobornik I., Manju U., Fujii J., Borgatti F., Torelli P., Krizmancic D., Hor Y.S., Cava R.J., Panaccione G. Magnetic proximity effect as a pathway to spintronic applications of topological insulators. Nano Lett. 2011;11(10):4079–4082. https://doi.org/10.1021/nl201275qHeinze S., Von Bergmann K., Menzel M., et al. Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions. Nature Phys. 2011;7(9):713–718. https://doi.org/10.1038/nphys2045Heinze S., Von Bergmann K., Menzel M., et al. Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions. Nature Phys. 2011;7(9):713–718. https://doi.org/10.1038/nphys2045Zhang J., Zhao B., Yao Y., Yang Z. Robust quantum anomalous Hall effect in graphene-based van der Waals heterostructures. Phys. Rev. B. 2015;92(16):165418. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.165418Zhang J., Zhao B., Yao Y., Yang Z. Robust quantum anomalous Hall effect in graphene-based van der Waals heterostructures. Phys. Rev. B. 2015;92(16):165418. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.165418Song T., Cai X., Tu M.W.Y., Zhang X., Huang B., Wilson N.P., Seyler K.L., Zhu L., Taniguchi T., Watanabe K., McGuire M.A., Cobden D.H., Xiao D., Yao W., Xu X. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures. Science. 2018;360(6394):1214–1218. https://doi.org/10.1126/science.aar4851Song T., Cai X., Tu M.W.Y., Zhang X., Huang B., Wilson N.P., Seyler K.L., Zhu L., Taniguchi T., Watanabe K., McGuire M.A., Cobden D.H., Xiao D., Yao W., Xu X. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures. Science. 2018;360(6394):1214–1218. https://doi.org/10.1126/science.aar4851Wang Z., Sapkota D., Taniguchi T., Watanabe K., Mandrus D., Morpurgo A.F. Tunneling spin valves based on Fe3GeTe2/hBN/Fe3GeTe2 van der Waals heterostructures. Nano Lett. 2018;18(7):4303–4308. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b01278Wang Z., Sapkota D., Taniguchi T., Watanabe K., Mandrus D., Morpurgo A.F. Tunneling spin valves based on Fe3GeTe2/hBN/Fe3GeTe2 van der Waals heterostructures. Nano Lett. 2018;18(7):4303–4308. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b01278Ashton M., Gluhovic D., Sinnott S.B., Guo J., Stewart D.A., Hennig R.G. Two-dimensional intrinsic half metals with large spin gaps. Nano Lett. 2017;17(9):5251–5257. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01367Ashton M., Gluhovic D., Sinnott S.B., Guo J., Stewart D.A., Hennig R.G. Two-dimensional intrinsic half metals with large spin gaps. Nano Lett. 2017;17(9):5251–5257. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01367Johansen Ø., Risinggård V., Sudbø A., Linder J., Brataas A. Current control of magnetism in two-dimensional Fe3GeTe2. Phys. Rev. Lett. 2019;122(21):217203. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.217203Johansen Ø., Risinggård V., Sudbø A., Linder J., Brataas A. Current control of magnetism in two-dimensional Fe3GeTe2. Phys. Rev. Lett. 2019;122(21):217203. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.217203Jiang X., Liu Q., Xing J., Liu N., Guo Y., Liu Z., Zhao J. Recent progress on 2D magnets: Fundamental mechanism, structural design and modification. Appl. Phys. Rev. 2021;8(3):031305. https://doi.org/10.1063/5.0039979Jiang X., Liu Q., Xing J., Liu N., Guo Y., Liu Z., Zhao J. Recent progress on 2D magnets: Fundamental mechanism, structural design and modification. Appl. Phys. Rev. 2021;8(3):031305. https://doi.org/10.1063/5.0039979Tian S., Zhang J.-F., Li C., Ying T., Li S., Zhang X., Liu K., Lei H. Ferromagnetic van der Waals crystal VI3. Am. Chem. Soc. 2019;141(13):5326–5333. https://doi.org/10.1021/jacs.8b13584Tian S., Zhang J.-F., Li C., Ying T., Li S., Zhang X., Liu K., Lei H. Ferromagnetic van der Waals crystal VI3. Am. Chem. Soc. 2019;141(13):5326–5333. https://doi.org/10.1021/jacs.8b13584Mermin N.D., Wagner H. Absence of Ferromagnetism or Antiferromagnetism in One- or Two-Dimensional Isotropic Heisenberg Models. Phys. Rev. Lett. 1966;17(22):1133–1136. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.17.1133Mermin N.D., Wagner H. Absence of Ferromagnetism or Antiferromagnetism in One- or Two-Dimensional Isotropic Heisenberg Models. Phys. Rev. Lett. 1966;17(22):1133–1136. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.17.1133Пименов Н.Ю., Лавров С.Д., Кудрявцев А.В., Авдижиян А.Ю. Моделирование зонной структуры двумерных твердых растворов Mox W1−x S2y Se2(1−y) . Russian Technological Journal. 2022;10(3):56–63. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-3-56-63Pimenov N.Yu., Lavrov S.D., Kudryavtsev A.V., Avdizhiyan A.Yu. Modeling of two-dimensional MoxW1−x S2y Se2(1−y) alloy band structure. Russian Technological Journal. 2022;10(3):56–63. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-3-56-63Guo Q., Wang L., Yang L., et al. Spectra stable deep-blue light-emitting diodes based on cryolite-like cerium(III) halides with nanosecond d-f emission. Sci. Adv. 2022;8(50):eabq2148. https://doi.org/10.1126/sciadv.abq2148Guo Q., Wang L., Yang L., et al. Spectra stable deep-blue light-emitting diodes based on cryolite-like cerium(III) halides with nanosecond d-f emission. Sci. Adv. 2022;8(50):eabq2148. https://doi.org/10.1126/sciadv.abq2148Wang C., Liu X., She C., Li Y. Luminescence of CeI3 in organic solvents and its application in water detection. Polyhedron. 2021;196:115013. https://doi.org/10.1016/j.poly.2020.115013Wang C., Liu X., She C., Li Y. Luminescence of CeI3 in organic solvents and its application in water detection. Polyhedron. 2021;196:115013. https://doi.org/10.1016/j.poly.2020.115013Xie W., Hu F., Gong S., Peng L. Study the optical properties of Cs3CeI6: First-principles calculations. AIP Advances. 2024;14:015062. https://doi.org/10.1063/5.0187100Xie W., Hu F., Gong S., Peng L. Study the optical properties of Cs3CeI6: First-principles calculations. AIP Advances. 2024;14:015062. https://doi.org/10.1063/5.0187100Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B. 1996;54(16):11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B. 1996;54(16):11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169Constantin L.A., Perdew J.P., Pitarke J.M. Exchange–correlation hole of a generalized gradient approximation for solids and surfaces. Phys. Rev. B. 2009;79(7):075126. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.075126Constantin L.A., Perdew J.P., Pitarke J.M. Exchange–correlation hole of a generalized gradient approximation for solids and surfaces. Phys. Rev. B. 2009;79(7):075126. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.075126Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method, Phys. Rev. B. 1999;59(3): 1758–1775. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method, Phys. Rev. B. 1999;59(3): 1758–1775. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011;32(7):1456–1465. https://doi.org/10.1002/jcc.21759Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011;32(7):1456–1465. https://doi.org/10.1002/jcc.21759Dudarev S.L., Botton G.A., Savrasov S.Y., Humphreys C.J., Sutton A.P. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study. Phys. Rev. B. 1998;57(3):1505–1509. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505Dudarev S.L., Botton G.A., Savrasov S.Y., Humphreys C.J., Sutton A.P. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study. Phys. Rev. B. 1998;57(3):1505–1509. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505Sheng K., Chen Q., Yuan H., Wang Z. Monolayer CeI2: An intrinsic room-temperature ferrovalley semiconductor. Phys. Rev. B. 2022;105(7):075304. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.075304Sheng K., Chen Q., Yuan H., Wang Z. Monolayer CeI2: An intrinsic room-temperature ferrovalley semiconductor. Phys. Rev. B. 2022;105(7):075304. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.075304Larson P., Lambrecht W.R.L., Chantis A., van Schilfgaarde M. Electronic structure of rare-earth nitrides using the LSDA+U approach: Importance of allowing 4f orbitals to break the cubic crystal symmetry. Phys. Rev. B. 2007;75(4):045114. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.045114Larson P., Lambrecht W.R.L., Chantis A., van Schilfgaarde M. Electronic structure of rare-earth nitrides using the LSDA+U approach: Importance of allowing 4f orbitals to break the cubic crystal symmetry. Phys. Rev. B. 2007;75(4):045114. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.045114Momma K., Izumi F. VESTA: a three-dimensional visualization system for electronic and structural analysis. J. Appl. Cryst. 2008;41:653–658. https://doi.org/10.1107/S0021889808012016Momma K., Izumi F. VESTA: a three-dimensional visualization system for electronic and structural analysis. J. Appl. Cryst. 2008;41:653–658. https://doi.org/10.1107/S0021889808012016Wang V., Xu N., Liu J., Tang G., Geng W. VASPKIT: A user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code. Comput. Phys. Commun. 2021;267:108033. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108033Wang V., Xu N., Liu J., Tang G., Geng W. VASPKIT: A user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code. Comput. Phys. Commun. 2021;267:108033. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108033Chornodolskyy Ya.M., Karnaushenko V.O., Vistovskyy V.V., Syrotyuk S.V., Gektin A.V., Voloshinovskii A.S. Energy band structure peculiarities and luminescent parameters of CeX3 (X = Cl, Br, I) crystals. J. Lumin. 2021;237:118147. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118147Chornodolskyy Ya.M., Karnaushenko V.O., Vistovskyy V.V., Syrotyuk S.V., Gektin A.V., Voloshinovskii A.S. Energy band structure peculiarities and luminescent parameters of CeX3 (X = Cl, Br, I) crystals. J. Lumin. 2021;237:118147. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118147Birowosuto M.D., Dorenbos P. Novel γ- and X-ray scintillator research: on the emission wavelength, light yield and time response of Ce3+ doped halide scintillators. Phys. Status Solidi A-Appl. Mater. Sci. 2009;206(1):9–20. https://doi.org/10.1002/pssa.200723669Birowosuto M.D., Dorenbos P. Novel γ- and X-ray scintillator research: on the emission wavelength, light yield and time response of Ce3+ doped halide scintillators. Phys. Status Solidi A-Appl. Mater. Sci. 2009;206(1):9–20. https://doi.org/10.1002/pssa.200723669Dorenbos P. Lanthanide 4f-electron binding energies and the nephelauxetic effect in wide band gap compounds. J. Lumin. 2013;136:122–129. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.11.030Dorenbos P. Lanthanide 4f-electron binding energies and the nephelauxetic effect in wide band gap compounds. J. Lumin. 2013;136:122–129. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.11.030

The authors declare that there are no conflicts of interest present.