Золото-індукований магнетизм та термічна стабільність у нанолистах SiC: DFT+U
Анотація
Двовимірні нанолисти карбіду кремнію (SiC), леговані золотом, досліджуються за допомогою теорії спін-поляризованої густини (DFT+U) для вивчення їхньої електронної структури, індукованого магнетизму та термічної стабільності. Одинарні (1Au@Si) та подвійні (2Au@2Si) конфігурації заміщення моделюються в суперкомірці 4×4 для забезпечення надійної оцінки власних властивостей. Включення Au значно звужує ширину забороненої зони, зберігаючи при цьому напівпровідниковий характер нанолиста SiC. Аналіз густини станів зі спіновим розрізненням показує, що 5d-орбіталі Au домінують в електронних станах поблизу рівня Фермі. Незважаючи на майже спін-вироджені дисперсії зон, аналіз спінової популяції Маллікена виявляє індукований легуючими речовинами магнетизм, опосередкований сусідніми атомами вуглецю. Система 1Au@Si демонструє магнітний момент ~3 μB, тоді як конфігурація 2Au@2Si стабілізує феримагнітний стан із загальним магнітним моментом ~6 μB. У наближенні середнього поля оцінена температура Кюрі становить приблизно 510 K, що свідчить про можливість магнітної стабільності вище кімнатної температури та потенційне застосування в спінтронічних пристроях.
Завантаження
Посилання
A.K. Geim, and I.V. Grigorieva, “Van der Waals heterostructures,” Nature, 499, 419–425 (2013). https://doi.org/10.1038/nature12385
S.A. Wolf, D.D. Awschalom, R.A. Buhrman, et al., “Spintronics: A spin-based electronics vision for the future,” Science, 294, 1488–1495 (2001). https://doi.org/10.1126/science.1065389
D. Pesin, and A.H. MacDonald, “Spintronics and pseudospintronics in graphene and topological insulators,” Nat. Mater. 11, 409 416 (2012). https://doi.org/10.1038/nmat3305
S. Chabi, and K. Kadel, “Two-Dimensional Silicon Carbide: Emerging Direct Band Gap Semiconductor,” Nanomaterials, 10, 2226 (2020). https://doi.org/10.3390/nano10112226
R. Madar, “Materials science: silicon carbide in contention,” Nature, 430(7003), 974-975 (2004). https://doi.org/10.1038/430974a
H. Ohno, Making nonmagnetic semiconductors ferromagnetic, Science 281, 951–956 (1998). https://doi.org/10.1126/science.281.5379.951
S. Sanvito, “Molecular spintronics,” Chem. Soc. Rev. 40, 3336-3355 (2011). https://doi.org/10.1039/c1cs15047b
W. Chen, Q. Chen, J. Zhang, et al., “Electronic and magnetic properties of transition-metal-doped monolayer B₂S₂ within the GGA + U framework,” RSC Adv. 14, 3390–3399 (2024). https://doi.org/10.1039/D3RA08472H
C. Gong, L. Li, Z. Li, et al., “Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals,” Nature, 546, 265–269 (2017). https://doi.org/10.1038/nature22060
V.N. Jafarova, S.S. Rzayeva, S. Popa, et al., Prediction of electronic, magnetic, and structural stability characteristics in Al- and Ga-doped single-walled SiC nanotubes: An ab initio study, Phys. Chem. Chem. Phys. 27, 25980–26010 (2025). https://doi.org/10.1039/D5CP03523F
S. Rzayeva, V.N. Jafarova, and D.D. Roy, “First-principles prediction of ferromagnetism and Curie temperature for transition-metal-doped (6,0) SiC nanotubes,” Mater. Sci. Semicond. Process, 197, 109702 (2025). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109702
V.N. Jafarova, S.S. Rzayeva, V.I. Eminova, et al., “Theoretical investigation of electronic and magnetic characteristics of ZnSe substituted and co-substituted with transition metals,” Int. J. Mod. Phys. B, 39, 2550201 (2025). https://doi.org/10.1142/S0217979225502017
V.N. Jafarova, S. S. Rzayeva, U. Abdurahmanova et al., “Spintronic potential of ZnSe doped with 3d transition metals: Insights from first-principles calculations,” Indian J. Phys. (2025). https://doi.org/10.1007/s12648-025-03794-8
M. Kurpas, P.E. Faria Junior, M. Gmitra, and J. Fabian, “Spin–orbit coupling in elemental two-dimensional materials,” Phys. Rev. B, 100, 125422 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.125422
J. He, G. Liu, C. Zhang, and G. Zhang, “Electronic structure and magnetic properties of noble metal (Rh, Ru, Pd, Ag) adsorbed vacancy-defective arsenene: A first-principles study,” Int. J. Quantum Chem. 123, e27197 (2023). https://doi.org/10.1002/qua.27197
Q.J. Wang, Q.H. Tan, and Y.K. Liu, “Magnetic properties in carbon-doped In2O3: A density functional theory investigation,” Physica B: Condensed Matter, 450, 54–57 (2014). https://doi.org/10.1016/j.physb.2014.05.033
S. Smidstrup, T. Markussen, P. Vancraeyveld, et al., “QuantumATK: An integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools, J. Phys.: Condens. Matter, 32, (2020) 015901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab4007
O. Gunnarsson, and B.I. Lundqvist, “Exchange and correlation in atoms, molecules, and solids by the spin-density-functional formalism,” Phys. Rev. B, 13, 4274–4298 (1976). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.4274
J. P. Perdew, and A. Zunger, “Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems,” Phys. Rev. B, 23, 5048–5079 (1981). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048
J. Junquera, Ó. Paz, D. Sánchez-Portal, and E. Artacho, “Numerical atomic orbitals for density functional calculations,” Phys. Rev. B, 64, 235111 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.235111
G. Kresse, and J. Furthmüller, “Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set,” Phys. Rev. B, 54, 11169–11186 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
Y. Ding, Y. Wang, J. Ni, et al., “First principles study of structural, elastic, and electronic properties of graphene-like MX₂ (M = Si, Ge; X = C, Si),” Physica B: Condensed Matter, 406, 2254–2260 (2011). https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.03.012
H. Zhang, Y. Ma, and Z. Chen, “Stability and electronic properties of two-dimensional silicon carbide sheets,” Solid State Commun. 151, 1641–1645 (2011). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2011.08.028
H. Sahin, S. Cahangirov, M. Topsakal, and S. Ciraci, “Monolayer honeycomb structures of group-IV elements and III–V binary compounds,” Phys. Rev. B, 80, 155453 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.155453
K. Dolui, I. Rungger, and S. Sanvito, “Origin of the doping asymmetry in two-dimensional materials,” Phys. Rev. B, 87, 165402 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165402
X. Yang, Y. Shen, J. Liu, X. Meng, X. Gao, L. Lv, M. Zhou, Y. Zhang, Y. Zheng, and Z. Zhou, “Electronic and optical properties of a novel two-dimensional semiconductor material TlPt₂S₃: A first-principles study,” Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 7642–7652 (2022). https://doi.org/10.1039/D1CP05918A
Z. Zhang, X. Liu, J. Yu, et al., “Tunable electronic and magnetic properties of two-dimensional materials and their one-declensional derivatives,” WIREs Comput. Mol. Sci. 6, e1251 (2016). https://doi.org/10.1002/wcms.1251
Y. Li, Z. Zhou, S. Zhang, and Z. Chen, “MoS₂ nanoribbons: high stability and unusual electronic and magnetic properties,” J. Am. Chem. Soc. 130, 16739–16744 (2008). https://doi.org/10.1021/ja805545x
V.N. Jafarova and S. Rzayeva, “The effect of doping on the electronic and magnetic properties of GaN nanotubes: A preliminary study within the framework of LDA and LDA+U methods,” Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 40 (4), 2627–2634 (2025). https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1625213
R.S. Mulliken, “Electronic population analysis on LCAO–MO molecular wave functions. I,” J. Chem. Phys. 23, 1833–1840 (1955). https://doi.org/10.1063/1.1740588
J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Phys. Rev. Lett. 77, 3865–3868 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
S. Chabi, and K. Kadel, “Two-dimensional Silicon carbide: emerging direct band gap semiconductor,” Nanomaterials, 10, 2226 (2020). https://doi.org/10.3390/nano10112226
S. Chabi, Z. Guler, A. Brearley, et al., “The creation of true two-dimensional silicon carbide,” Nanomaterials, 11, 1799 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11071799
Z. Shi, Z. Zhang, A. Kutana, and B.I. Yakobson, “Predicting two-dimensional silicon carbide monolayers,” ACS Nano, 9, 9802 9809 (2015). https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02753
R. Katoch, and S. Jain, “Magnetic Properties of 2D Materials,” in: Emerging Two Dimensional Materials and Applications, (CRC Press, 2022), pp. 95–122. https://doi.org/10.1201/9781003247890-6
M. Luo, Y.H. Shen, and T.L. Yin, “Ab initio study of electronic and magnetic properties in TM-doped SiC, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures,” 85, 280–284 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physe.2016.08.028
L. Jiang, Y. Dong and Z. Cui, “Adsorption of metal atoms (including Au) on SiC monolayer: electronic and magnetic properties from DFT,” Inorganics, 11, 240 (2023). https://doi.org/10.3390/inorganics11060240
L. Zhang, and Z. Cui, “First-Principles Study of Metal Impurities in Silicon Carbide: Structural, Magnetic, and Electronic Properties,” Front. Mater. 9, 956675 (2022). https://doi.org/10.3389/fmats.2022.956675
O.V. Yazyev, and L. Helm, “Defect-induced magnetism in graphene,” Phys. Rev. B, 75, 125408 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.125408
R.R. Nair, I.-L. Tsai, M. Sepioni, et al., “Dual origin of defect magnetism in graphene and its reversible switching by doping,” Nat. Commun. 4, 2010 (2013). https://doi.org/10.1038/ncomms3010
J. Hernández-Tecorralco, L. Meza-Montes, M. E. Cifuentes-Quintal, et al., “Understanding the sp magnetizm in substitutionally doped graphene: a first-principles study,” Phys. Rev. B, 105, 224425 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.224425
M. Houmad, O. Dakir, H. Benzidi, et al., “Magnetic behavior of Mn-doped SiC nanosheet,” Int. J. Mod. Phys. B, 31, 1750163 (2017). https://doi.org/10.1142/S0217979217501636
X. He, T. He, Z. Wang, and M. Zhao, “Neutral vacancy-defect-induced magnetism in SiC mono-layer,” Physica E, 42, 2451 2454 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physe.2010.06.010
Q. Wei, Y. Yang, G. Yang, and X. Peng, “New stable two-dimensional silicon carbide nanosheets,” J. Alloys Compd. 868, 159201 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159201, arXiv: arXiv.2012.07841
J. Hafner, “Ab-initio simulations of materials using VASP: Density-Functional theory and Beyond,” J. Comput. Chem. 29, 2044 2078 (2008). https://doi.org/10.1002/jcc.21057
M. Pajda, J. Kudrnovský, I. Turek, et al., “Ab initio calculations of exchange interactions, spin-wave stiffness, and Curie temperatures of Fe, Co, and Ni,” Phys. Rev. B, 64, 174402 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.174402
S. Rusz, L. Bergqvist, J. Kudrnovský, and I. Turek, “Exchange interactions and Curie temperatures of diluted magnetic systems,” Phys. Rev. B, 73, 214412 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.214412
K. Sato, L. Bergqvist, J. Kudrnovský, et al., “First-principles theory of dilute magnetic semiconductors,” Rev. Mod. Phys. 82, 1633–1690 (2010). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1633
M. Pajda, J. Kudrnovský, I. Turek, et al., “Ab initio calculations of exchange interactions, spin-wave stiffness constants and Curie temperatures of Fe, Co and Ni,” Phys. Rev. B, 64, 174402 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.174402
S. Rusz, L. Bergqvist, J. Kudrnovský, and I. Turek, “Exchange interactions and Curie temperatures in Ni2-xMnSb alloys: First-principles study,” Phys. Rev. B, 73, 214412 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.214412
Авторське право (c) 2026 Севда Рзаєва, Юлдош Якубов, Умеджон Халілов, Мафтун Алієв6, Аріель Шарон Асаре
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
