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Tuning Noncollinear Spin Structure and Anisotropy in Ferromagnetic Nitride MXenes
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2018-06-08 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsnano.8b03472 Nathan C. Frey 1 , Hemant Kumar 1 , Babak Anasori 2 , Yury Gogotsi 2 , Vivek B. Shenoy 1
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2018-06-08 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsnano.8b03472 Nathan C. Frey 1 , Hemant Kumar 1 , Babak Anasori 2 , Yury Gogotsi 2 , Vivek B. Shenoy 1
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Recent experimental success in the realization of two-dimensional magnetism has invigorated the search for low-dimensional material systems with tunable magnetic anisotropy that exhibit intrinsic long-range ferromagnetic order. Here we report that modifying the surface termination and transition metal in monolayer M2NTx nitride MXenes gives rise to a rich diversity of noncollinear spin structures and finely tunable magnetocrystalline anisotropy. Based on first-principles simulations, we predict that manipulating the strength of the spin–orbit interaction and electron localization via the chemical degrees of freedom can induce sufficient anisotropy to counteract thermal fluctuations that suppress long-range magnetic order. We find that Ti2NO2 and Mn2NF2 MXenes have continuous O(3) and O(2) spin symmetries, respectively, that may be broken by an applied field, while Cr2NO2 and Mn2NO2 are intrinsic Ising ferromagnets with out-of-plane easy axes and magnetic anisotropy energies up to 63 μeV/atom. These systems also exhibit both gapped and gapless Dirac points near the Fermi level. Our study suggests that nitride MXenes offer a promising avenue for achieving both practical spintronic devices and investigating fundamental spin processes in two-dimensional materials.
中文翻译：
调整铁磁氮化物MXene中的非共线自旋结构和各向异性
在实现二维磁性方面的最新实验成功推动了对具有可调谐磁各向异性的低维材料系统的探索，这些系统表现出固有的远距离铁磁序。在这里，我们报告说，对单层M 2 NT x氮化物MXene中的表面终止和过渡金属进行改性会引起非共线自旋结构的丰富多样性和可微调的磁晶各向异性。基于第一性原理模拟，我们预测通过化学自由度操纵自旋-轨道相互作用和电子局部化的强度会引起足够的各向异性，以抵消抑制长期磁阶的热波动。我们发现Ti 2NO 2和Mn 2 NF 2 MXene分别具有连续的O（3）和O（2）自旋对称性，可能会被施加的磁场破坏，而Cr 2 NO 2和Mn 2 NO 2是固有的Ising铁磁体，具有平面易轴和高达63μeV/原子的磁各向异性能。这些系统在费米能级附近还表现出有间隙的和无间隙的狄拉克点。我们的研究表明，氮化物MXenes为实现实用的自旋电子器件和研究二维材料的基本自旋过程提供了有希望的途径。
更新日期：2018-06-08
中文翻译：
调整铁磁氮化物MXene中的非共线自旋结构和各向异性
在实现二维磁性方面的最新实验成功推动了对具有可调谐磁各向异性的低维材料系统的探索，这些系统表现出固有的远距离铁磁序。在这里，我们报告说，对单层M 2 NT x氮化物MXene中的表面终止和过渡金属进行改性会引起非共线自旋结构的丰富多样性和可微调的磁晶各向异性。基于第一性原理模拟，我们预测通过化学自由度操纵自旋-轨道相互作用和电子局部化的强度会引起足够的各向异性，以抵消抑制长期磁阶的热波动。我们发现Ti 2NO 2和Mn 2 NF 2 MXene分别具有连续的O（3）和O（2）自旋对称性，可能会被施加的磁场破坏，而Cr 2 NO 2和Mn 2 NO 2是固有的Ising铁磁体，具有平面易轴和高达63μeV/原子的磁各向异性能。这些系统在费米能级附近还表现出有间隙的和无间隙的狄拉克点。我们的研究表明，氮化物MXenes为实现实用的自旋电子器件和研究二维材料的基本自旋过程提供了有希望的途径。
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