Первопринципный расчет электронной структуры монослоя CeI3

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. 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. 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. 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.

1. Tan 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.2022.100700

2. Vobornik 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/nl201275q

3. Heinze 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/nphys2045

4. Zhang 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.92.165418

5. Song 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.aar4851

6. Wang 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.8b01278

7. Ashton 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.7b01367

8. Johansen 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.122.217203

9. Jiang 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/10.1063/5.0039979

10. Tian 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.8b13584

11. Mermin 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.17.1133

12. Пименов 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-2022-10-3-56-63

13. Guo 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.abq2148

14. Wang 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.2020.115013

15. Xie W., Hu F., Gong S., Peng L. Study the optical properties of Cs3CeI6: First-principles calculations. AIP Advances. 2024;14:015062. https://doi.org/10.1063/5.0187100

16. Kresse 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.54.11169

17. Constantin 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.79.075126

18. Kresse 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.59.1758

19. Grimme 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.21759

20. Dudarev 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.57.1505

21. Sheng 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.105.075304

22. Larson 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.75.045114

23. Momma 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/S0021889808012016

24. Wang 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.2021.108033

25. Chornodolskyy 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.2021.118147

26. Birowosuto 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.200723669

27. Dorenbos 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