ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

 

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.28  

УДК: 544.225

 

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Cr(Cl_xF_1-x)₃

 

И.С. Лебедев ¹, А.В. Кудрявцев ¹, А.И. Карцев ^1,2, Е.Т. Мирзоева ¹,

 

¹ МИРЭА – Российский технологический университет

119454, Москва, пр-т Вернадского 78

² Вычислительный центр ДВО РАН,

680063, Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65

 

Статья поступила в редакцию 3 октября 2025 г.

 

Аннотация. В настоящей работе проведено исследование влияния легирования на электронные и магнитные свойства монослойного соединения Cr(Cl_xF_1-x)₃  на основании расчета из первых принципов. В ходе работы рассчитаны плотности электронных состояний, значения ширины запрещенной зоны, постоянные кристаллической решетки и разности полных энергий для ферромагнитной и антиферромагнитной конфигураций при различных взаимных концентрациях атомов хлора и фтора. Расчеты выполнены в рамках метода теории функционала плотности с поправкой Хаббарда, учитывающей сильную локализацию d-электронов хрома, а варьирование состава реализовано методом виртуального кристалла. Получено, что исследуемые материалы сохраняют полупроводниковый характер для всего диапазона дольного коэффициента x, при этом ширина запрещенной зоны изменяется от 2.30 до  2.94 эВ, а постоянная решетки – от 5.74 до 6.04 Å. Установлено, что для всех исследованных соотношений элементов в составе твердого раствора энергетически наиболее выгодным является ферромагнитное состояние. Разность энергий между антиферромагнитной и ферромагнитной конфигурациями изменяется немонотонно, что связано с различной степенью вклада обменных взаимодействий при изменении состава. Полученные результаты указывают на возможность управления электронными и магнитными свойствами путем изменения состава твердого раствора, что делает данный класс материалов перспективным для применения в спинтронике и магнитооптических устройствах.

Ключевые слова: двумерный магнетизм, твердые растворы, теория функционала плотности, плотность электронных состояний, ферромагнетизм, антиферромагнетизм.

Финансирование: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-23-20239).

Автор для переписки: Кудрявцев Андрей Владимирович, kudryavcev_a@mirea.ru

 

 

Литература

1. Huang B. et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit // Nature. – 2017. – Т. 546. – № 7657. – С. 270–273. https://doi.org/10.1038/nature22391

2. Gong C. et al. Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals // Nature. – 2017. – Т. 546. – № 7657. – С. 265–269. https://doi.org/10.1038/nature22060

3. Ruiz A.M., Baldovi J.J. Switchable magnetic phases in CrSBr₁−ₓClₓ  and CrSBr/CrSCl heterostructures // Arxiv Mat. Sci. – 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.19136

4. Qi Y. et al. Recent progress in strain engineering on van der Waals 2D materials: tunable electrical, electrochemical, magnetic, and optical properties // Adv. Mater. – 2023. – Т. 35. https://doi.org/10.1002/adma.202205714

5. Pawbake A. et al. Magneto-optical sensing of the pressure-driven magnetic ground states in bulk CrSBr // Nano Lett. – 2023. – Т. 23. – С. 9587–9593. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03216

6. Zhang G. et al. Above-room-temperature strong intrinsic ferromagnetism in 2D van der Waals Fe₃GaTe₂ with large perpendicular magnetic anisotropy // Nat. Commun. – 2022. – Т. 13. – С. 5067. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32605-5

7. May A.F. et al. Ferromagnetism near room temperature in the cleavable van der Waals crystal Fe₅GeTe₂ // ACS Nano. – 2019. – Т. 13. – С. 4436–4442. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09660

8. Lee J.-U. et al. Ising-type magnetic ordering in atomically thin FePS₃ // Nano Lett. – 2016. – Т. 16. – С. 7433–7438. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03052

9. Long G. et al. Persistence of magnetism in atomically thin MnPS₃ crystals // Nano Lett. – 2020. – Т. 20. – С. 2452–2459. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05165

10. Kim K. et al. Suppression of magnetic ordering in XXZ-type antiferromagnetic monolayer NiPS₃ // Nat. Commun. – 2019. – Т. 10. – С. 345. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08284-6

11. Lado J.L., Fernández-Rossier J. On the origin of magnetic anisotropy in two dimensional CrI3 // 2D Materials. – 2017. – Т. 4. – №. 3. – С. 035002. https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa75ed

12. Мирзоева Е.Т., Кудрявцев А.В. Первопринципный расчет электронной структуры монослоя CeI3 // Russian Technological Journal. – 2025. – Т. 13.  – №. 4. – С. 47-54. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2025-13-4-47-54

13. Bedoya-Pinto A. et al. Intrinsic 2D-XY ferromagnetism in a van der Waals monolayer // Nat. Phys. – 2021. – Т. 17. – № 6. – С. 687–691. https://doi.org/10.1126/science.abd5146

14. Xie L.M. Two-dimensional transition metal dichalcogenide alloys: preparation, characterization and applications // Nanoscale. – 2015. – Т. 7. – С. 18392–18401. https://doi.org/10.1039/c5nr05712d

15. Lin Y., Torsi R., Geohegan D.B., Robinson J.A., Xiao K. Controllable thin-film approaches for doping and alloying transition metal dichalcogenides monolayers // Adv. Sci. – 2021. – Т. 8. https://doi.org/10.1002/advs.202004249

16. Abramchuk M. et al. Controlling magnetic and optical properties of the van der Waals crystal CrCl₃−ₓBrₓ via mixed halide chemistry // Adv. Mater. – 2018.  – Т. 30. https://doi.org/10.1002/adma.201801325

17. Telford E.J. et al. Designing magnetic properties in CrSBr through  hydrostatic pressure and ligand substitution // Adv. Phys. Res. – 2023. – Т. 2. https://doi.org/10.1002/apxr.202300036

18. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation  made simple // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Т. 77. – С. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

19. Eckhardt C., Hummer K., Kresse G. Indirect-to-direct gap transition in strained and unstrained SnₓGe₁−ₓ alloys // Phys. Rev.B. – 2014. – Т. 89. – № 165201. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.165201

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. – Т. 57. – № 3. – С. 1505–1509. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505

21. Liu J., Sun Q., Kawazoe Y., Jena P. Exfoliating biocompatible ferromagnetic Cr trihalide monolayers // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2016. – Т. 18. – С. 8777–8784. https://doi.org/10.1039/c5cp04835d

22. Froeschke S. et al. Structural and magnetic transitions caused by dimer formation in the CrCl₃–MoCl₃ solid solution // Chem. Mater. – 2024. – Т. 36. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c03109

23. Chen X. et al. Discovery of an ultrastable antiferromagnetic two-dimensional  CrF₃ phase with anisotropic quasi-one-dimensional mechanical,  electronic, and thermal properties // Phys. Rev.B. – 2025. – Т. 111. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.155425

24. Zhang W.B. et al. Robust intrinsic ferromagnetism and half semiconductivity in stable two-dimensional single-layer chromium trihalides // J. Mater. Chem.C.  – 2015. – Т. 3. – С. 12457–12468. https://doi.org/10.1039/C5TC02840J

 

Для цитирования:

Лебедев И.С., Кудрявцев А.В., Карцев А.И., Мирзоева Е.Т. Электронные и магнитные свойства двухкомпонентных твердых растворов Cr(Cl_xF_1-x)₃ // Журнал радиоэлектроники.  – 2025. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.28