Gadolinyum Kaplama ile Silisenin Manyetizasyonu: Kalınlık, Simetri, Zorlanma ve Kaplamanın Etkileri

Abstract

Bir bal peteği örgüsünde Si atomlarının serbest duran tek tabakalı yapısı silisen, Gadolinyum (Gd) atomları ile kaplandığında oda sıcaklığının üzerinde kararlı kalmakta ve üç-boyutlu GdSi2 kristalinin antiferromanyetik taban durumunun aksine iki-boyutlu bir ferromanyetik yarı iletken olmaktadır. GdSi2 yapısının çoklu tabakalarında, manyetik momentler aynı Gd atom düzlemlerinde paralel sıralansa bile, en yakın Gd düzlemleri arasında antiparaleldirler; dolayısıyla ferrimanyetik bir davranış sergilerler. Buna karşılık, silisenin her iki tarafından Gd atomları tarafından kaplanmasıyla oluşturulan serbest duran bir Gd2Si2 tek tabakası, ayna simetrisi nedeniyle kararlı bir antiferromanyetik metaldir. Her iki taraftan Gd ile kaplanan tek sayıda Gd düzlemine sahip çoklu tabakaları, ferrimanyetik benzeri bir taban durumuna sahipken, çift sayılı olanlar antiferromanyetik taban durumuna sahiptir, ancak bunların hiçbiri ferromanyetik değildir. Si(111) yüzeyinde yapılan son deneylerle uyumlu bu ilginç manyetik düzenlerden, Gd düzlemleri arasına giren silikon atomları sorumludur. Ek olarak, bu 2D gadolinyum disilisür tek tabakasının manyetik durumları, uygulanan çekme zorlanması ve Gd'nin kaplaması/dekorasyonu ile izlenebilir. Monte Carlo simülasyonları ile birleştirilmiş ilk-ilke, spin-polarize, yoğunluk fonksiyonel teori hesaplamaları kullanılarak elde edilen bu tahminler, C, B, Si, Ge, Sn ve bunların nadir toprak atomları tarafından işlevselleştirilmiş bileşiklerinin 2D spintronikte yeni nanoyapılara yol açabileceğini haber vermektedir.

When covered by gadolinium (Gd) atoms, silicene, a free-standing monolayer of Si atoms in a honeycomb network, remains stable above the room temperature and becomes 2D ferromagnetic semiconductor, despite the antiferromagnetic ground state of 3D bulk GdSi2 crystal. In thin GdSi2 multilayers, even if magnetic moments are ordered parallel in the same Gd atomic planes, they are antiparallel between nearest Gd planes; hence they exhibit a ferrimagnetic behavior. In contrast, a free-standing Gd2Si2 monolayer constructed by covering silicene from both sides by Gd atoms is a stable antiferromagnetic metal due to the mirror symmetry. While multilayers covered by Gd from both sides having an odd-number of Gd planes have a ferrimagnetic like ground state, even-numbered ones have antiferromagnetic ground state, but none of them is ferromagnetic. Silicon atoms intervening between Gd planes are responsible from these intriguing magnetic orders conforming with the recent experiments performed on Si(111) surface. Additionally, the magnetic states of these 2D gadolinium disilicide monolayer can be monitored by applied tensile strain and by the coverage/decoration of Gd. These predictions obtained by using first-principle, spin-polarized, density functional theory calculations combined with Monte Carlo simulations herald that C, B, Si, Ge, Sn and their compounds functionalized by rare-earth atoms can lead to novel nanostructures in 2D spintronics.