Electronic and magnetic properties of two-component Cr(ClxF1-x)3 solid solutions
Abstract
In this paper, the effect of doping on the electronic and magnetic properties of a monolayer compound Cr(Cl x F1- x )3 is studied based on a first-principles calculation. The densities of electronic states, the values of the band gap, the constants of the crystal lattice and the difference in total energies for ferromagnetic and antiferromagnetic configurations at different mutual concentrations of chlorine and fluorine atoms were calculated in the course of the work. The calculations were performed using the method of density functional theory with the Hubbard correction, which takes into account the strong localization of chromium d-electrons, and the composition variation was implemented using the virtual crystal method. It is found that the studied materials retain a semiconductor character for the entire range of the longitudinal coefficient x , while the band gap varies from 2.30 to 2.94 eV, and the lattice constant varies from 5.74 to 6.04 Å. It has been established that for all the studied ratios of elements in the composition of a solid solution, the ferromagnetic state is the most energetically advantageous. The energy difference between the antiferromagnetic and ferromagnetic configurations does not change monotonously, which is due to the varying degree of contribution of exchange interactions when the composition changes. The results obtained indicate the possibility of controlling the electronic and magnetic properties by changing the composition of the solid solution, which makes this class of materials promising for use in spintronics and magneto-optical devices.
- two-dimensional magnetism
- solid solutions
- density functional theory
- electronic density of states
- ferromagnetism
- antiferromagnetism
Аннотация (на русском)
Электронные и магнитные свойства двухкомпонентных твердых растворов Cr(ClxF1-x)3
В настоящей работе проведено исследование влияния легирования на электронные и магнитные свойства монослойного соединения Cr(Cl x F1-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.
For citation
Lebedev I.S., Kudryavtsev A.V., Kartsev A.I., Mirzoeva E.T. Electronic and magnetic properties of two-component Cr(ClxF1-x)3 solid solutions // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.28
References
- Huang B. et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down tothe monolayer limit // Nature. - 2017. - Т. 546. - № 7657. - С. 270-273.https://doi.org/10.1038/nature22391
- Gong C. et al. Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van derWaals crystals // Nature. - 2017. - Т. 546. - № 7657. - С. 265-269.https://doi.org/10.1038/nature22060
- Ruiz A.M., Baldovi J.J. Switchable magnetic phases in CrSBr₁-ₓClₓand CrSBr/CrSCl heterostructures // Arxiv Mat. Sci. - 2024.https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.19136
- 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
- Pawbake A. et al. Magneto-optical sensing of the pressure-driven magnetic groundstates in bulk CrSBr // Nano Lett. - 2023. - Т. 23. - С. 9587-9593.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03216
- Zhang G. et al. Above-room-temperature strong intrinsic ferromagnetism in 2D vander Waals Fe₃GaTe₂ with large perpendicular magnetic anisotropy // Nat. Commun.- 2022. - Т. 13. - С. 5067. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32605-5
- May A.F. et al. Ferromagnetism near room temperature in the cleavable van derWaals crystal Fe₅GeTe₂ // ACS Nano. - 2019. - Т. 13. - С. 4436-4442.https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09660
- 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
- Long G. et al. Persistence of magnetism in atomically thin MnPS₃ crystals // NanoLett. - 2020. - Т. 20. - С. 2452-2459. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05165
- Kim K. et al. Suppression of magnetic ordering in XXZ-type antiferromagneticmonolayer NiPS₃ // Nat. Commun. - 2019. - Т. 10. - С. 345.https://doi.org/10.1038/s41467-018-08284-6
- Lado J.L., Fernández-Rossier J. On the origin of magnetic anisotropy in twodimensional CrI3 // 2D Materials. - 2017. - Т. 4. - №. 3. - С. 035002.https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa75ed
- Мирзоева Е.Т., Кудрявцев А.В. Первопринципный расчет электроннойструктуры монослоя CeI3 // Russian Technological Journal. - 2025. - Т. 13.- №. 4. - С. 47-54. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2025-13-4-47-54
- Bedoya-Pinto A. et al. Intrinsic 2D-XY ferromagnetism in a van der Waalsmonolayer // Nat. Phys. - 2021. - Т. 17. - № 6. - С. 687-691.https://doi.org/10.1126/science.abd5146
- 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
- Lin Y., Torsi R., Geohegan D.B., Robinson J.A., Xiao K. Controllable thin-filmapproaches for doping and alloying transition metal dichalcogenides monolayers //Adv. Sci. - 2021. - Т. 8. https://doi.org/10.1002/advs.202004249
- Abramchuk M. et al. Controlling magnetic and optical properties of the van derWaals crystal CrCl₃-ₓBrₓ via mixed halide chemistry // Adv. Mater. - 2018.- Т. 30. https://doi.org/10.1002/adma.201801325
- Telford E.J. et al. Designing magnetic properties in CrSBr throughhydrostatic pressure and ligand substitution // Adv. Phys. Res. - 2023. - Т. 2.https://doi.org/10.1002/apxr.202300036
- Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximationmade simple // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Т. 77. - С. 3865-3868.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
- Eckhardt C., Hummer K., Kresse G. Indirect-to-direct gap transition in strained andunstrained SnₓGe₁-ₓ alloys // Phys. Rev.B. - 2014. - Т. 89. - № 165201.https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.165201
- Dudarev S.L., Botton G.A., Savrasov S.Y., Humphreys C.J., Sutton A.P. Electronenergy-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
- Liu J., Sun Q., Kawazoe Y., Jena P. Exfoliating biocompatible ferromagnetic Crtrihalide monolayers // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2016. - Т. 18. - С. 8777-8784.https://doi.org/10.1039/c5cp04835d
- Froeschke S. et al. Structural and magnetic transitions caused by dimer formationin the CrCl₃-MoCl₃ solid solution // Chem. Mater. - 2024. - Т. 36.https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c03109
- Chen X. et al. Discovery of an ultrastable antiferromagnetic two-dimensionalCrF₃ 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
- Zhang W.B. et al. Robust intrinsic ferromagnetism and half semiconductivity instable two-dimensional single-layer chromium trihalides // J. Mater. Chem.C.- 2015. - Т. 3. - С. 12457-12468. https://doi.org/10.1039/C5TC02840J