Two-dimensional 4f magnetic EuSn2X2 (X = P, As) monolayers: A first-principles study

单层 磁性 自旋电子学 凝聚态物理 磁化 铁磁性 电子 磁各向异性 偶极子 材料科学 半导体 各向异性 磁性半导体 纳米技术 物理 磁场 光电子学 光学 量子力学
作者
Y. H. Bai,Yaxuan Wu,Chaobin Jia,L. Hou,Bing Wang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (1) 被引量:47
标识
DOI:10.1063/5.0152064
摘要

Two-dimensional (2D) ferromagnetic semiconductors (FMSs) hold exciting and promising potential for application in spintronic devices at the nanoscale. Currently, most 2D FMSs are based on 3d electrons; 4f electrons can provide nontrivial magnetism but have been much less studied to date. This paper presents a theoretical study, via first-principles calculations, of EuSn2X2 (X = P, As) monolayers based on rare-earth cations with f-electrons. The results show that EuSn2X2 monolayers possess a large magnetization (7 μB/Eu), a controllable magnetic anisotropy energy, and a unique d-electron-mediated f–f exchange mechanism. Both types of EuSn2X2 (X = P, As) monolayers are FMSs with indirect bandgaps of 1.00 and 0.99 eV, respectively, based on the Heyd–Scuseria–Ernzerhof (HSE06) method, which can be transform to direct bandgap semiconductors under biaxial strain. Interestingly, under the latter, spin–orbit coupling interaction gradually replaces the dipole–dipole interaction in the dominant position of magnetic anisotropy, resulting in the magnetic easy axis changing from in-plane to the more desirable out-of-plane. Considering their excellent dynamic, thermal, and mechanical stabilities and small cleavage energy, these EuSn2X2 monolayers can be exfoliated from their synthesized bulk. Our study not only helps to understand the properties of 2D 4f rare-earth magnets but also signposts a route toward improving the performance of EuSn2X2 monolayers in nano-electronic devices.
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