Coupling of Crystal Structure and Magnetism in the Layered, Ferromagnetic Insulator CrI3

居里温度 铁磁性 范德瓦尔斯力 磁性 单斜晶系 材料科学 凝聚态物理 晶体结构 相变 密度泛函理论 自旋电子学 结晶学 化学 计算化学 物理 有机化学 分子
作者
Michael A. McGuire,Hemant Dixit,Valentino R. Cooper,B. C. Sales
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:27 (2): 612-620 被引量:918
标识
DOI:10.1021/cm504242t
摘要

We have examined the crystallographic and magnetic properties of single crystals of CrI3, an easily cleavable, layered and insulating ferromagnet with a Curie temperature of 61 K. Our X-ray diffraction studies reveal a first-order crystallographic phase transition occurring near 210–220 K upon warming, with significant thermal hysteresis. The low-temperature structure is rhombohedral (R3̅, BiI3-type) and the high-temperature structure is monoclinic (C2/m, AlCl3-type). We find evidence for coupling between the crystallographic and magnetic degrees of freedom in CrI3, observing an anomaly in the interlayer spacing at the Curie temperature and an anomaly in the magnetic susceptibility at the structural transition. First-principles calculations reveal the importance of proper treatment of the long-ranged interlayer forces, and van der Waals density functional theory does an excellent job of predicting the crystal structures and their relative stability. Calculations also suggest that the ferromagnetic order found in the bulk material may persist into monolayer form, suggesting that CrI3 and other chromium trihalides may be promising materials for spintronic and magnetoelectronic research.
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