Pressure-induced metallization in the absence of a structural transition in the layered ferromagnetic insulator Cr2Ge2Te6

材料科学 凝聚态物理 静水压力 无定形固体 结晶学 电阻率和电导率 铁磁性 中子衍射 相变 反铁磁性 晶体结构 物理 热力学 化学 量子力学
作者
Weizhao Cai,Yan Luo,Su Kong Chong,Jingui Xu,Dongzhou Zhang,Vikram V. Deshpande,Liujiang Zhou,Shanti Deemyad
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (8) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.085116
摘要

We report the crystallographic and electrical transport properties of single crystals of the ferromagnetic two-dimensional (2D) material ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Ge}}_{2}{\mathrm{Te}}_{6}$ under high pressure. In contrast to previous studies, our high-pressure single-crystal x-ray diffraction under hydrostatic conditions shows prominent anisotropic compressibility in the layered structure of the crystalline $R\overline{3}$ phase of ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Ge}}_{2}{\mathrm{Te}}_{6}$ without any structural phase transitions up to 20 GPa. Our data confirm a distinct and irreversible crystalline-amorphous transformation in ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Ge}}_{2}{\mathrm{Te}}_{6}$. The loss of crystallinity starts at 20 GPa; however, the crystalline phase and amorphous state coexist even at the maximum pressure of 31.2 GPa. High-pressure powder x-ray diffraction data and electrical resistivity measurements of ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Ge}}_{2}{\mathrm{Te}}_{6}$ using NaCl as the pressure-transmitting medium reveal an insulator-to-metal transition in the absence of a phase transition at \ensuremath{\sim}3.9 GPa; at a considerably lower pressure than the previously reported (7--14 GPa). Density functional theory calculations demonstrate the density of states around the Fermi level are primarily dominated by Cr $3d$ and Te $5p$ states. Hence the large reduction of Cr-Te bond lengths within the ${\mathrm{CrTe}}_{6}$ octahedra under compression is most likely responsible for the band-gap closure. This study clarifies that the phase stability and onset of metallization pressure in the ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Ge}}_{2}{\mathrm{Te}}_{6}$ sample are sensitive to the hydrostatic environments and demonstrates how pressure can be used to tune the physical properties of 2D ferromagnetic compounds.
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