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Computational prediction of a two-dimensional semiconductor SnO2 with negative Poisson's ratio and tunable magnetism by doping

凝聚态物理 磁性 铁磁性 材料科学 物理 自旋电子学 伊辛模型 费米能级 带隙 电子 量子力学
作者
Peng Jiang,Lili Kang,Xiaohong Zheng,Zhi Zeng,Stefano Sanvito
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:102 (19) 被引量:45
标识
DOI:10.1103/physrevb.102.195408
摘要

Based on first-principles calculations, we predict a stable two-dimensional semiconductor, namely tin dioxide ${\mathrm{SnO}}_{2}$. By investigating its dynamical, thermal, and mechanical properties, we find that ${\mathrm{SnO}}_{2}$ monolayer is an auxetic material with a large in-plane negative Poisson's ratio. Furthermore, our results show that ${\mathrm{SnO}}_{2}$ is an indirect-gap semiconductor with a band gap in the region of 3.7 eV and an extremely high electron mobility, $\ensuremath{\sim}{10}^{3}\phantom{\rule{4pt}{0ex}}{\mathrm{cm}}^{2}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{V}}^{\ensuremath{-}1}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$. Interestingly, the band structure of ${\mathrm{SnO}}_{2}$ presents double Mexican-hat-like band edges in the valence bands near the Fermi level. Due to such a unique band feature, a ferromagnetic phase transition takes place with a half-metallic ground state that can be induced by hole doping within a very wide concentration range. Such a magnetic phase can be well explained by the Stoner mechanism. A peculiar feature of the magnetic state is the presence of large magnetocrystalline anisotropy that can switch from in-plane to out-of-plane upon hole doping. Hence, ${\mathrm{SnO}}_{2}$ monolayer can be tuned to be either an $XY$ magnet or an Ising one, with a magnetic critical temperature above room temperature at proper hole concentrations. These findings demonstrate that the predicted phase of ${\mathrm{SnO}}_{2}$ is a rare example of $p$-type magnetism and a possible candidate for spintronic applications.
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