Выявление зависимости электронных свойств двумерных магнитных металлоксенов от атомной структуры интерфейса Ln/силицен(германен)

Исследования электронных эффектов в системах с пониженной размерностью стали передовым направлением науки из-за экзотического и легко настраиваемого характера квантовых явлений. Недавно был открыт новый класс 2D-ультратонких металлоксенов LnX₂, состоящий из треугольной решетки ионов лантаноидов (Ln) в сочетании с 2D-ксенами - силиценом или германеном. До настоящего времени исследования этих материалов ограничивались изучением их магнитных и транспортных свойств, тогда как электронные свойства и их эффективная функционализация оставались в основном неизученными. Нами было проведено исследование с использованием экспериментальных и теоретических методов семейства магнитных металлоксенов LnX₂ (Ln = Eu, Gd, Dy; X = Ge, Si) в пределе 1-2 монослоя. Структура пленок, выращенных in-situ, была найдена путем сравнения расчетов методом ab initio поиска случайной структуры (AIRSS) с данными LEED и ранее опубликованными исследованиями HAADF-TEM для пленок LnX₂, покрытых аморфным слоем SiO_x. Мы обнаружили, что в зависимости от Ln и X элемента покрывающий слой способен инициировать изменение атомной структуры X₂/Ln интерфейса из стабильной в метастабильную. В частности, металлоксены на основе двухвалентного Eu и трехвалентного Gd(Dy) обычно демонстрируют три отличительные особенности атомной структуры: (1) различное положение атома Ln относительно подложки; (2) изогнутые соты по сравнению с плоскими промежуточными слоями Ge(Si) с вакансиями; 3) отсутствие каких-либо изменений интерфейса X₂/Ln в сравнении с изменением структуры под воздействием покрывающего слоя. Подобные структурные модификации способны привести к существенным изменениям электронных свойств и магнитной анизотропии. Рассчитанные электронные спектры стабильных пленок, зависящие от элементов Ln и X, а также от толщины пленки, полностью согласуются с наблюдениями ARPES для пленок LnX₂ в парамагнитном и магнитном состояниях. Таким образом, наше исследование дает представление об электронных свойствах 2D-ультратонких LnX₂ со стабильными и метастабильными (реализуемыми в условиях покрытия) атомными структурами и предлагает способы управления ими путем изменения элементного состава, толщины пленки и электрического поля для их эффективной функционализации.

Равновесная атомная структура монослоя GdSi₂, формирующаяся на Si(111), полученная как модель с минимальной энергией с использованием AIRSS метода и метастабильная структура плёнки с покрытием SiO_x измеренная HAADF-TEM. Рассчитанные электронные зонные спектры равновесной (вставка показывает ARPES спектр) и метастабильной структур.

Работа частично выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема № FWRW-2022-0001.

A.N. Mihalyuk, P.M. Sheverdyaeva, J.-P. Chou, A.V. Matetskiy, S.V. Eremeev, A.V. Zotov, A.A. Saranin, Unveiling the stacking-dependent electronic properties of 2D ultrathin rare-earth metalloxenes family LnX₂ (Ln = Eu, Gd, Dy; X = Ge, Si), J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 5926-5933.

https://doi.org/10.1039/D4TC00173G