Tezisy_Shostakx - Сибирский федеральный университет

УДК 539.23
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ
СВОЙСТВ МОНОСЛОЯ TiN
С. А. Шостак, А. В. Куклин
Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук А. А. Кузубов
Сибирский федеральный университет
Ускоренный темп развития наноэлектроники влечет за собой создание
принципиально нового подхода к работе устройств, заключающегося в том, что
проводящие свойства материала обуславливаются направленным транспортом
электронов, обладающих определенным спином. Материалы, токоперенос в которых
основан на спиновой поляризации, находят свое применение в логических схемах,
спиновых транзисторах, устройствах хранения и передачи информации. Одним из
самых перспективных подходов к созданию данных устройств является использование
двумерных (2D) материалов, таких как графен, h-BN и дихалькогениды переходных
металлов. Перечисленные материалы получены экспериментально и находят широкое
применение в наноэлектронике.
В то же время, графен, h-BN и дихалькогениды переходных металлов являются
немагнитными или слабомагнитными. Однако схожие 2D структуры могут быть
основаны на нитридах или карбидах некоторых переходных металлов (TMN и TMC). В
частности, на нитриде титана. Данный класс соединений в кристаллическом виде
обладает металлической проводимостью, высокой твердостью, прочностью, высокими
температурами плавления и термодинамической стабильностью. В свою очередь,
тонкие пленки TMN и TMC представляют большой интерес и активно изучаются. Ранее
проведенные исследования свидетельствуют о том, что процесс образования тонких
пленок TiN является экзотермическим, то есть термодинамически выгодным.
Магнетизм в тонких пленках может возникать в связи с тем, что неспаренные dэлектроны переходных металлов, расположенные на поверхности пленки, вносят
большой вклад в формирование их электронной структуры. Предельным случаем
тонкой пленки является монослой, в структуре которого магнитный момент и
магнитное спаривание атома находятся в сильной зависимости от его
координационного числа. Это было подтверждено в работах по исследованию
двумерных CrN (100) [1] и VN (111) [2]. В результате расчета двумерного CrN
исследователи предсказали, что данный материал является ферромагнетиком с высокой
температурой Кюри и обладает 100% спиновой поляризацией. Ферромагнетизм
соединения обусловлен обменным p-d взаимодействием орбиталей атомов N и Cr.
Однако в кристаллическом виде данное соединение не является ферромагнетиком. Это
свидетельствует о колоссальном различии между кристаллической и двумерной
формой существования материала. Таким образом, в данной работе проведены
квантово-химические расчеты атомной и электронной структуры 2D TiN c целью
установления равновесной геометрии двумерного материала и его свойств.
Все расчеты проводились в рамках теории функционала плотности с помощью
обменно-корреляционного потенциала Perdew-Burke-Ernzerhof в лицензионном
программном пакете VASP. Число k-точек в первой зоне Бриллюэна было выбрано в
виде сетки 1×12×12, полученной с помощью схемы Монхорста-Пака. При построении
зонной структуры обратное пространство разбивалось на 20 промежуточных k -точек
вдоль каждого из симметричных направлений. Энергия обрезания плоских волн во всех
расчетах составляла 400 eV. Оптимизация осуществлялась до тех пор, пока разница в
энергиях между предыдущей и последующей геометрий не составила 10-4eV. Для
предотвращения взаимодействия между двумерными структурами создавался
вакуумный промежуток, величина которого составила 15Å.
В рамках данной работы рассматривались два типа структур 2D TiN (100) и (111). На
первом этапе расчетов были найдены параметры решетки элементарной ячейки
кристаллического нитрида титана. Полученные значения хорошо согласуются с
экспериментальными данными (aтеор=4.238 Å, aэксп=4.240 Å).
Далее были выполнены спин-поляризованные расчеты двумерных структур TiN
(100) и (111), представляющих собой срез соответствующей поверхности в виде
монослоя. Для сравнения энергетической стабильности двумерноого CrN
рассчитывалась относительная энергия образования монослоя, приходящаяся на
формульную единицу, по следующей формуле:
E =Em/nm– Eb/nb,
(1)
где Em – энергия элементарной ячейки монослоя, Eb – энергия элементарной ячейки
объемной структуры, nm и nb – число формульных единиц в элементарной ячейке
монослоя и объемного материала.
Относительные энергии образования монослоев составили 0.875 eV и 1.108 eV для
TiN (100) и TiN (111) соответственно.
В результате оптимизации геометрии 2D TiN (100) полученное значение длины
связи Ti-N составило 2.01 Å, что на 5.2% меньше по сравнению с кристаллической
структурой. Однако, в результате расчета плотности состояний магнитный момент в
ячейке монослоя TiN (100) оказался равен нулю, что в свою очередь означает
отсутствие магнитных свойств у данной двумерной структуры. При этом двумерный
TiN (100) обладает металлической проводимостью (рисунок 1).
Рис. 1. Плотность состояний 2D TiN (100)
Следующим типом монослоя являлся TiN (111). В ходе оптимизации геометрии
было установлено, что данный монослой имеет плоское строение, которое обусловлено
стремлением материала минимизировать энергию путем уменьшения до нулевого
значения дипольного момента системы, который, очевидно, появился бы в случае
гофрированной поверхности. Расправление гофрированной поверхности приводит к
увеличению вектора трансляции со значения 2.997 Å для случая монослоя полученного
из элементарной периодической ячейки TiN до 3.332 Å для плоской структуры.
В результате спин-поляризованных расчетов для 2D TiN (111) было установлено, что
материал обладает ферромагнитным упорядочением и 100% спиновой поляризацией.
Для электронов со спином «вверх» наблюдается нулевая запрещенная зона, для
электронов со спином «вниз» ее величина составляет 2.94 eV. (рисунок 2.)
Рис.2. Зонная структура и парциальные плотности состояний 2D TiN (111)
Ферромагнетизм в данном случае связан с обменным p-d взаимодействием
орбиталей атомов азота и титана. При этом уровень Ферми сформирован по большей
части вкладом d орбиталей титана.
При этом наибольшая спиновая плотность локализована вокруг атомов титана.
(рисунок 3)
Рис. 3. Локализация спиновой плотности на атомах 2D TiN (111)
Таким образом, высокая стабильность, ферромагнетизм и 100% спиновая
поляризация делают 2D TiN (111) перспективным материалом для использования в
спинтронике.
______________________________
1. S. Zhang, Y. Li, T Zhao and Q. Wang, Sci. Rep. 4, 5241 (2014).
2. A. V. Kuklin, A. A. Kuzubov, N. S. Eliseevaa, F. N. Tomilin, A. S. Fedorov and P. O.
Krasnov, Phys. Solid State 56, 229 (2014).