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Structural Transition in Oxidized Ca2N Electrenes: CaO/CaN 2D Heterostructures
The Journal of Physical Chemistry C ( IF 3.3 ) Pub Date : 2020-06-12 , DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c04031 Pedro H. Souza 1 , José E. Padilha 2 , Roberto H. Miwa 1
The Journal of Physical Chemistry C ( IF 3.3 ) Pub Date : 2020-06-12 , DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c04031 Pedro H. Souza 1 , José E. Padilha 2 , Roberto H. Miwa 1
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Based on first-principles calculations, we show that the oxidation of ultrathin films of Ca2N electrides (electrenes) drives a hexagonal → tetragonal structural transition. The ground-state configuration of the oxidized monolayer (ML) and bilayer (BL) systems can be viewed as CaO/CaN and CaO/(CaN)2/CaO two-dimensional (2D) heterostructures. In both systems, we found nearly free electron states lying near the vacuum level, and the spatial projection reveals that they are localized above the oxidized CaO surface. Focusing on the magnetic properties, we find that the nitrogen atoms of the oxidized Ca2N becomes spin-polarized (∼1 μB/N-atom), where we found an energetic preference for the ferromagnetic phase. We show that such a magnetic preference can be strengthened upon mechanical compression. Further electronic structure calculations reveal that the FM CaO/(CaN)2/CaO presents half-metallicity, where the metallic channels project (predominantly) on the N-2px,y orbitals. In addition to the total energy results, molecular dynamic and phonon spectra calculations have been done in order to verify the thermal and structural stabilities of the oxidized systems. These findings suggest that CaO/(CaN)2/CaO is quite an interesting and structurally stable 2D FM heterostructure characterized by half-metallic bands sandwiched by NFE states lying on the oxidized surfaces.
中文翻译：
氧化的Ca 2 N电子中的结构转变：CaO / CaN 2D异质结构
基于第一性原理计算，我们表明Ca 2 N驻极体（电子）的超薄膜的氧化驱动了六边形→四边形的结构转变。氧化单层（ML）和双层（BL）系统的基态配置可以视为CaO / CaN和CaO /（CaN）2 / CaO二维（2D）异质结构。在这两个系统中，我们发现接近真空水平的几乎自由电子状态，空间投影表明它们位于氧化的CaO表面上方。着眼于磁特性，我们发现，氧化的Ca的氮原子2 N变为自旋极化（〜1μ乙/ N原子），我们在其中发现了对铁磁相的能量偏好。我们表明，这种磁性偏好可以在机械压缩时得到加强。进一步的电子结构计算表明，FM CaO /（CaN）2 / CaO具有半金属性，其中金属通道（主要）突出在N-2p x，y轨道上。除总能量结果外，还进行了分子动力学和声子谱计算，以验证氧化系统的热稳定性和结构稳定性。这些发现表明，CaO /（CaN）2 / CaO是一种非常有趣且结构稳定的2D FM异质结构，其特征是半金属带被氧化表面上的NFE态夹在中间。
更新日期：2020-07-09
中文翻译：
氧化的Ca 2 N电子中的结构转变：CaO / CaN 2D异质结构
基于第一性原理计算，我们表明Ca 2 N驻极体（电子）的超薄膜的氧化驱动了六边形→四边形的结构转变。氧化单层（ML）和双层（BL）系统的基态配置可以视为CaO / CaN和CaO /（CaN）2 / CaO二维（2D）异质结构。在这两个系统中，我们发现接近真空水平的几乎自由电子状态，空间投影表明它们位于氧化的CaO表面上方。着眼于磁特性，我们发现，氧化的Ca的氮原子2 N变为自旋极化（〜1μ乙/ N原子），我们在其中发现了对铁磁相的能量偏好。我们表明，这种磁性偏好可以在机械压缩时得到加强。进一步的电子结构计算表明，FM CaO /（CaN）2 / CaO具有半金属性，其中金属通道（主要）突出在N-2p x，y轨道上。除总能量结果外，还进行了分子动力学和声子谱计算，以验证氧化系统的热稳定性和结构稳定性。这些发现表明，CaO /（CaN）2 / CaO是一种非常有趣且结构稳定的2D FM异质结构，其特征是半金属带被氧化表面上的NFE态夹在中间。
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