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A combined first principles study of the structural, magnetic, and phonon properties of monolayer CrI3

密度泛函理论 超级交换 磁矩 凝聚态物理 铁磁性 声子 磁性 化学 磁各向异性 物理 磁化 计算化学 磁场 量子力学
作者
Daniel Staros,Guoxiang Hu,Juha Tiihonen,Ravindra Nanguneri,Jaron T. Krogel,M. Chandler Bennett,Olle Heinonen,Panchapakesan Ganesh,Brenda M. Rubenstein
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:156 (1): 014707-014707 被引量:45
标识
DOI:10.1063/5.0074848
摘要

The first magnetic 2D material discovered, monolayer (ML) CrI3, is particularly fascinating due to its ground state ferromagnetism. However, because ML materials are difficult to probe experimentally, much remains unresolved about ML CrI3's structural, electronic, and magnetic properties. Here, we leverage Density Functional Theory (DFT) and high-accuracy Diffusion Monte Carlo (DMC) simulations to predict lattice parameters, magnetic moments, and spin-phonon and spin-lattice coupling of ML CrI3. We exploit a recently developed surrogate Hessian DMC line search technique to determine CrI3's ML geometry with DMC accuracy, yielding lattice parameters in good agreement with recently published STM measurements-an accomplishment given the ∼10% variability in previous DFT-derived estimates depending upon the functional. Strikingly, we find that previous DFT predictions of ML CrI3's magnetic spin moments are correct on average across a unit cell but miss critical local spatial fluctuations in the spin density revealed by more accurate DMC. DMC predicts that magnetic moments in ML CrI3 are 3.62 μB per chromium and -0.145 μB per iodine, both larger than previous DFT predictions. The large disparate moments together with the large spin-orbit coupling of CrI3's I-p orbital suggest a ligand superexchange-dominated magnetic anisotropy in ML CrI3, corroborating recent observations of magnons in its 2D limit. We also find that ML CrI3 exhibits a substantial spin-phonon coupling of ∼3.32 cm-1. Our work, thus, establishes many of ML CrI3's key properties, while also continuing to demonstrate the pivotal role that DMC can assume in the study of magnetic and other 2D materials.
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