c) Các nghiên cứu trên thực nghiệm
3.1.2. Tính chất của đơn lớp CrX3 (với X= Cl và Br)
Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy các trục dễ từ hóa của tất cả các đơn lớp CrX3 nằm ngoài mặt phẳng giống như dạng khối của chúng. Tuy nhiên, các thí nghiệm gần đây chỉ xác nhận lý thuyết này đúng cho đơn lớp CrBr3 và CrI3, trong khi đơn lớp CrCl3 được phát hiện là có trục dễ từ hóa trong mặt phẳng. Điều này có thể gây ra tính chất từ khác biệt so với CrBr3 và CrI3 khi ở dạng hai lớp [2,17,26,66].
49 Sau khi tính toán tối ưu cho các cấu trúc đơn CrX3, thông số mạng được tóm tắt trong Bảng 3.2. Có thể thấy rõ rằng tham số mạng giảm từ CrI3, CrBr3 đến CrCl3, phù hợp với các báo cáo trước đây [34,60,68].
Bảng 3.2. Tổng hợp các thông số tính toán tối ưu của cho đơn lớp CrX3
Tiếp theo, các cấu trúc vùng năng lượng của đơn lớp CrX3 được chúng tôi tính toán và liệt kê trong các Hình 3.8, 3.9, 3.10 dưới đây. Các kết quả cho thấy, rõ ràng tất cả CrX3 đều thể hiện là bán dẫn xiên, trong đó, độ rộng vùng cấm (Eg) tăng từ CrI3 (0,8554 eV) đến CrBr3 (1,4807 eV) và CrCl3 (2,0859 eV). Tuy nhiên, cấu trúc vùng năng lượng của CrCl3 có sự khác biệt so với CrI3 và CrBr3 khi đỉnh vùng hóa trị nằm ở điểm M (Hình 3.10). Chúng tôi thấy rằng có sự lai hóa mạnh giữa các trạng thái Cr-3d và trạng thái halide-3p/4p/5p ở gần mức Fermi, điều này chứng tỏ rằng tương tác trao đổi p-d gián tiếp đóng vai trò quan trọng trong tương tác sắt từ của đơn lớp CrX3 (X = Cl, Br, I) [32].
Thông số
Đơn lớp CrI3 Đơn lớp CrBr3 Đơn lớp CrCl3
FMLDA+U Thực nghiệm FMLDA+U FMLDA+U Năng lượng vùng cấm Eg(eV) 0,8554 1,135[65a] 1,4807 2,0859 Khoảng cách L1 (Cr-I1) (Å) 2,7907 2.655[65a] 2,5597 2,3891 Khoảng cách L2 (Cr-I2) (Å) 2,7946 2,740[65b] 2,5600 2,3891 Khoảng cách Cr-Cr (Å) 4,1034 --- 3,7768 3,5392 Khoảng cách X-X (Å) 3,7809 --- 3,4560 3,2105 Góc θ1 (o) 174,121 173.3[65b] 173,612 173,568 Góc θ2 (o) 85,192 95.2[65b] 84,874 84,402 Góc θCr-X-Cr (o) 94,781 --- 95,070 95,579 Hằng số mạng a (Å) 7,1081 7.008[65b] 6,5435 6,1306
50
Hình 3.8.Các tính toán cho đơn lớp CrI3: a) Cấu trúc vùng năng lượng; b) Mật độ trạng thái (PDOS) cho toàn bộ cấu hình điện tử và c) Mật độ trạng thái (PDOS) của t2g và eg của orbital 3d-Cr.
51
Hình 3.9.Các tính toán cho đơn lớp CrBr3: a) Cấu trúc vùng năng lượng; b) Mật độ trạng thái (PDOS) cho toàn bộ cấu hình điện tử và c) Mật độ trạng thái (PDOS) của t2g và eg của orbital 3d-Cr.
52
Hình 3.10. Các tính toán cho đơn lớp CrCl3: a) Cấu trúc vùng năng lượng; b) Mật độ trạng thái (PDOS) cho toàn bộ cấu hình điện tử và c) Mật độ trạng thái (PDOS) của t2g và eg của orbital 3d-Cr.
Tóm lại, các đơn lớp của CrX3 có tính chất sắt từ (FM), bắt nguồn từ sự cạnh tranh giữa các tương tác siêu trao đổi J1, J2, và J3, phụ thuộc vào góc liên kết θCr-X-Cr (o)
và khoảng cách Cr-Cr (Å). Bên cạnh đó, sự lai hóa mạnh giữa các trạng thái Cr-3d và trạng thái halide - 3p/4p/5p ở gần mức Fermi đóng vai trò quan trọng trong tương tác sắt từ của đơn lớpCrX3 (X = Cl, Br, I). Như vậy, sau khi đạt được các kết quả tương tự với các thực nghiệm và tính toán trước đây, đồng thời đạt được những kết quả mới về cấu trúc vùng năng lượng cũng như mật độ trạng thái của đơn lớp, chúng tôi tiếp tục thực hiện các khảo sát với hai lớp CrX3 để tìm ra các tính chất thú vị hơn.
53