Strain-tunable magnetic anisotropy in monolayer CrCl3 , CrBr3 , and CrI3

反铁磁性 铁磁性 凝聚态物理 各向异性 基态 磁各向异性 材料科学 结晶学 联轴节(管道) 磁化 物理 化学 原子物理学 量子力学 磁场 冶金
作者
Lucas Webster,Jia-An Yan
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:98 (14) 被引量:517
标识
DOI:10.1103/physrevb.98.144411
摘要

Recent observation of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional (2D) ${\mathrm{CrI}}_{3}$ is associated with the large magnetic anisotropy due to strong spin-orbit coupling of I. Magnetic anisotropy energy (MAE) defines the stability of magnetization in a specific direction with respect to the crystal lattice and is an important parameter for nanoscale applications. In this work we apply the density functional theory to study the strain dependence of MAE in 2D monolayer chromium trihalides $\mathrm{Cr}{X}_{3}$ (with $X$ = Cl, Br, and I). Detailed calculations of their energetics, atomic structures, and electronic structures under the influence of a biaxial strain $\ensuremath{\varepsilon}$ have been carried out. It is found that all three compounds exhibit ferromagnetic ordering at the ground state (with $\ensuremath{\varepsilon}=0$), and upon applying a compressive strain, phase transition to the antiferromagnetic state occurs. Unlike in ${\mathrm{CrCl}}_{3}$ and ${\mathrm{CrBr}}_{3}$, the electronic band gap in ${\mathrm{CrI}}_{3}$ increases when a tensile strain is applied. The MAE also exhibits a strain dependence in the chromium trihalides: it increases when a compressive strain is applied in ${\mathrm{CrI}}_{3}$, while an opposite trend is observed in the other two compounds. In particular, the MAE of ${\mathrm{CrI}}_{3}$ can be increased by 47% with a compressive strain of $\ensuremath{\varepsilon}$ = 5%.
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