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Screening and Design of Novel 2D Ferromagnetic Materials with High Curie Temperature above Room Temperature
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2018-10-23 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsami.8b14037 Zhou Jiang 1 , Peng Wang 1 , Jianpei Xing 1 , Xue Jiang 1 , Jijun Zhao 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2018-10-23 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsami.8b14037 Zhou Jiang 1 , Peng Wang 1 , Jianpei Xing 1 , Xue Jiang 1 , Jijun Zhao 1
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Two-dimensional (2D) intrinsic ferromagnets with high Curie temperature (TC) are desirable for spintronic applications. Using systematic first-principles calculations, we investigate the electronic and magnetic properties of 22 monolayer 2D materials with layered bulk phases. From these candidates, we screen out five ferromagnetic monolayer materials belonging to three types of structures: type i (ScCl, YCl, LaCl), type ii (LaBr2), and type iii (CrSBr). Type i is a kind of metallic ferromagnetic material, whereas LaBr2 and CrSBr of type ii and iii are small-bandgap ferromagnetic semiconductors with TC near room temperature. Moreover, the ferromagnetic CrSBr monolayer possesses a large magnetic moment of ∼3 μB per Cr atom, originating from its distorted octahedron coordination. The robust ferromagnetism of the CrSBr monolayer is ascribed to the halogen-mediated (Cr–Br–Cr) and chalcogen-mediated (Cr–S–Cr) superexchange interactions; then, an isoelectronic substitution strategy is proposed to tailor the magnetic coupling strength. Hence, monolayer structures of CrSI, CrSCl, and CrSeBr with notably enhanced Curie temperature up to 500 K as well as favorable formation energy are designed. The moderate interlayer binding energy and high TC make these monolayer ferromagnetic materials feasible for experimental synthesis and attractive as 2D spintronic devices.
中文翻译：
居里温度以上居里温度高的新型二维铁磁材料的筛选与设计
具有高居里温度（T C）的二维（2D）本征铁磁体是自旋电子应用所需要的。使用系统的第一性原理计算，我们研究了具有分层体相的22种单层2D材料的电子和磁性。从这些候选项中，我们筛选出属于三种结构类型的五种铁磁单层材料：i型（ScCl，YCl，LaCl），ii型（LaBr 2）和iii型（CrSBr）。i型是一种金属铁磁材料，而II型和iii型的LaBr 2和CrSBr是具有接近室温的T C的小带隙铁磁半导体。此外，铁磁CrSBr单层具有约3μ的大磁矩。每个Cr原子含B，源自其扭曲的八面体配位。CrSBr单层的强大铁磁性归因于卤素介导的（Cr–Br–Cr）和硫族元素介导的（Cr–S–Cr）超交换相互作用。然后，提出了一种等电取代策略来调整磁耦合强度。因此，设计了CrSI，CrSCl和CrSeBr的单层结构，具有高达500 K的居里温度和显着提高的居里温度。适中的层间结合能和较高的T C使这些单层铁磁材料可用于实验合成，并作为2D自旋电子器件具有吸引力。
更新日期：2018-10-23
中文翻译：
居里温度以上居里温度高的新型二维铁磁材料的筛选与设计
具有高居里温度（T C）的二维（2D）本征铁磁体是自旋电子应用所需要的。使用系统的第一性原理计算，我们研究了具有分层体相的22种单层2D材料的电子和磁性。从这些候选项中，我们筛选出属于三种结构类型的五种铁磁单层材料：i型（ScCl，YCl，LaCl），ii型（LaBr 2）和iii型（CrSBr）。i型是一种金属铁磁材料，而II型和iii型的LaBr 2和CrSBr是具有接近室温的T C的小带隙铁磁半导体。此外，铁磁CrSBr单层具有约3μ的大磁矩。每个Cr原子含B，源自其扭曲的八面体配位。CrSBr单层的强大铁磁性归因于卤素介导的（Cr–Br–Cr）和硫族元素介导的（Cr–S–Cr）超交换相互作用。然后，提出了一种等电取代策略来调整磁耦合强度。因此，设计了CrSI，CrSCl和CrSeBr的单层结构，具有高达500 K的居里温度和显着提高的居里温度。适中的层间结合能和较高的T C使这些单层铁磁材料可用于实验合成，并作为2D自旋电子器件具有吸引力。
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