Магнітні та електронні властивості нанолистів AlN, легованих перехідними металами: дослідження з перших принципів для застосувань у спінтроніці
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.11.890Ключові слова:
атоми перехiдних металiв, спiнова поляризацiя, нанолисти, магнiтнi моментиАнотація
У роботі ab initio на основі теорії функціонала густини досліджено структурні, електронні, магнітні й оптичні властивості нанолиста AlN, легованого перехідними металами. На основі різниці повних енергій визначено стабільні конфігурації (феромагнітну й антиферомагнітну фази). Встановлено, що чистий нанолист AlN є немагнітним напівпровідником із широкою забороненою зоною (3,28 еВ), тоді як атоми перехідних металів індукують магнітні моменти, що зумовлюють структурні зміни в ділянці навколо допанта й сусідніх атомів. Розраховані парціальні густини станів (DOS) свідчать про сильну гібридизацію d-орбіталей атомів перехідних металів із p-орбіталями азоту поблизу рівня Фермі, внаслідок чого напівпровідникові властивості змінюються на напівметалеві. Леговані атомами Cr і Cu нанолисти AlN, що виявляють 100% спінову поляризацію, є перспективними матеріалами для спінтронних пристроїв завдяки вираженим напівметалевим феромагнітним властивостям. Отримані результати вказують на перспективність застосування нанолистів AlN, легованих перехідними металами, у нанопристроях і спінтронних пристроях на основі низьковимірних наноструктур.
Посилання
1. N.A. Ismayilova, S.H. Jabarov, J.A. Guliyev. Semi-metal ferromagnetism V-doped GaN nanosheet application in a spintronic device. Ukr. J. Phys. 69, 754 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.10.754
2. S.G. Asadullayeva, N.A. Ismayilova, E.H. Alizade, N.T. Mamedov, A.I. Bayramov, M.A. Musayev, I.I. Abbasov. Photoluminescence and spectroscopic ellipsometry of single crystal MnGa2S4. Bull. Mater. Sci. 47, 115 (2024).
https://doi.org/10.1007/s12034-024-03197-1
3. N.A. Ismayilova, S.Q. Asadullayeva. First principle calculation of magnetic properties of doped Mn : ZnGa2S4. J. Supercond. Nov. Magn. 35, 1107 (2022).
https://doi.org/10.1007/s10948-022-06147-2
4. C.M. Lieber. Nanowire superlattices. Nano Lett. 2, 81 (2002).
https://doi.org/10.1021/nl020289d
5. Z. Wu, J.B. Neaton, J.C. Grossman. Charge separation via strain in silicon nanowires. Nano Lett. 9, 2418 (2009).
https://doi.org/10.1021/nl9010854
6. V. Meunier, C. Roland, J. Bernholc, M. Buongiorno Nardelli. Electronic and field emission properties of boron nitride/carbon nanotube superlattices. Appl. Phys. Lett. 81, 46 (2002).
https://doi.org/10.1063/1.1491013
7. C.Y. Hsieh, S.L. Chung. High thermal conductivity epoxy molding compound filled with a combustion synthesized AlN powder. J. Appl. Polym. Sci. 102, 4734 (2006).
https://doi.org/10.1002/app.25000
8. A. Madan, I.W. Kim, S.C. Cheng, P. Yashar, V.P. Dravid, S.A. Barnett. Stabilization of cubic AlN in epitaxial AlN/TiN superlattices. Phys. Rev. Lett. 78, 1743 (1997).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.1743
9. L.J. Shi, L.F. Zhu, Y.H. Zhao, B.G. Liu. Nitrogen defects and ferromagnetism in Cr-doped dilute magnetic semiconductor AlN from first principles. Phys. Rev. B 78, 195206 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.195206
10. S.H. Wei, X.G. Gong, G.M. Dalpian, S.-H. Wei. First-principles study of Mn-induced local magnetic moments in host semiconductors. Phys. Rev. B 71, 144409 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.144409
11. Y. Yang, Q. Zhao, X.Z. Zhang, Z.G. Liu, C.X. Zou, B. Shen, D.P. Yu. Mn-doped AlN nanowires with room temperature ferromagnetic ordering. Appl. Phys. Lett. 90, 092118 (2007).
https://doi.org/10.1063/1.2475276
12. Y.J. Zhang, H.-L. Shi, S.X. Wang, P. Zhang, R.W. Li. Electronic structure and magnetic coupling properties of Gd-doped AlN: first-principles calculations. Eur. Phys. J. B 77, 345 (2010).
https://doi.org/10.1140/epjb/e2010-00273-4
13. H. Li, H.Q. Bao, B. Song, W.J. Wang, X.L. Chen, L.J. He, W.X. Yuan. Ferromagnetic properties of Mn-doped AlN. Physica B 403, 4096 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.physb.2008.08.016
14. M. Ayoubi-Chianeh, M.Z. Kassaee. Detection of bendamustine anti-cancer drug via AlN and Si-doped C nanocone and nanosheet sensors by DFT. Struct. Chem. 31, 2041 (2020).
https://doi.org/10.1007/s11224-020-01561-5
15. W. López-Pérez, L. Ramírez-Montes, A. González-García, C. Pinilla, J. Rivera-Julio, R. González-Hernández. Charged vacancy defects in an AlN nanosheet: A first-principles DFT study. Comput. Condens. Matter 14, 153 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.cocom.2018.02.002
16. M. Beyranvand, T. Movlarooy, F.B. Baghsiyahi. Magnetic phase stability of transition metals doped (4,4) AlN nanosheet. J. Magn. Magn. Mater. 497, 166028 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166028
17. Y. Peng, C. Xia, H. Zhang, T. Wang, S. Wei, Y. Jia. Tunable electronic structures of p-type Mg doping in AlN nanosheet. J. Appl. Phys. 116, 044306 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4891238
18. G. Xiao, L.-L. Wang, Q.-Y. Rong, A.-M. Hu, W.-Z. Xiao. Magnetic properties in AlN nanosheet doped with alkali metals: A first-principles study. Phys. Status Solidi B 253, 1816 (2016).
https://doi.org/10.1002/pssb.201600119
19. H. Cao, P. Lu, Z. Yu, J. Chen. Electronic and magnetic properties of vanadium doped AlN nanosheet under in-plane biaxial strains. Superlattices Microstruct. 73, 113 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2014.05.020
20. K. Zhang, M. Pan, Z. Liu, J. Wang, Y. Wang, H. Deng. Theoretically evaluating transition metal activated two-dimensional bilayer tetragonal AlN nanosheet for high-performance HER/OER/ORR electrocatalysts. Comput. Mater. Sci. 232, 112634 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112634
21. L. Yang, H. Zou, X. Wang, C. Wang, Q. Wang, C. Liu. Synthesis, magnetism and photoluminescence of Mn doped AlN nanowires. J. Lumin. 243, 118657 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118657
22. Y. Zhang, H. Shi, R. Li, P. Zhang. Magnetic coupling properties of Mn-doped AlN nanowires: First-principles calculations. Phys. Lett. A 375, 1686 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2011.02.059
23. J. Gao, C. Ma, A. Kumar. Au-decorated semiconducting AlN nanosheet as an electronic sensor for theophylline drug. Mol. Simul. 47, 500 (2021).
https://doi.org/10.1080/08927022.2021.1888947
24. Sh. Valedbagi, A. Fathalian, S. Mohammad Elahi. Electronic and optical properties of AlN nanosheet: An ab initio study. Opt. Commun. 309, 153 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.optcom.2013.06.061
25. W.A. Abdul-Hussein, F.H. Hanoon, L.F. Al-Badry. Control the electronic and optical properties of AlN nanosheet by the electric field. Results Opt. 11, 100423 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100423
26. P. Hohenberg, W. Kohn. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev. 136, B864 (1964).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
27. Synopsys. QuantumATK. https://www.synopsys.com/manufacturing/quantumatk.html.
28. B. Ahmed, B.I. Sharma. Structural and electronic properties of AlN in rocksalt, zinc blende and wurtzite phase: A DFT study. Dig. J. Nanomater. Bios. 16, 125 (2021).
https://doi.org/10.15251/DJNB.2021.161.125
29. J.H. Edgar ed. Properties of Group III Nitrides. EMIS Datareviews Series No. 11. INSPEC, The Institution of Electrical Engineers, London (1994).
30. M. Noei, H. Soleymanabadi, A.A. Peyghan. Aluminum nitride nanotubes. Chem. Pap. 71, 881 (2017).
https://doi.org/10.1007/s11696-016-0015-5
31. H. Wu, B. Xu, R. Zheng, Z. Yan. First-principle studies on ferromagnetism of Fe-doped AlN diluted magnetic semiconductors. Mater. Sci. 22, 472 (2016).
https://doi.org/10.5755/j01.ms.22.4.10750
32. T. El-Achari, F. Goumrhar, L.B. Drissi, M.D. El Bouzaidi, R.A. Laamara. Electronic and magnetic properties of V- and Cr-doped zinc-blende AlN. Commun. Theor. Phys. 73, 125702 (2021).
https://doi.org/10.1088/1572-9494/ac27a3
33. Y.Q. Fan, X. Yao. Half-metallic and optical properties of Cu and Cr codoped AlN. Adv. Mater. Res. 842, 205 (2014).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.842.205
34. W. Jia, P. Han, M. Chi, S. Dang, B. Xu, X. Liu. Electronic structure and ferromagnetic properties of Cu-doped AlN from first principles. J. Appl. Phys. 101, 113918 (2007).
https://doi.org/10.1063/1.2745282
35. L. Li, T. Li, Y. Hu, C. Cai, Y. Li, X. Zhang, B. Liang, Y. Yang, J. Qiu. Mechanism of the trivalent lanthanides' persistent luminescence in wide bandgap materials. Light Sci. Appl. 11, 51 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00736-5
36. Q.Y. Wu, Z.G. Huang, R. Wu, L.J. Chen. Cu-doped AlN: A dilute magnetic semiconductor free of magnetic cations from first-principles study. J. Phys.: Condens. Matter 19, 056209 (2007).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/19/5/056209
37. G. Yao, G. Fan, H. Xing, S. Zheng, J. Ma, Y. Zhang, L. He. Electronic structure and magnetism of V-doped AlN. J. Magn. Magn. Mater. 331, 117 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2012.11.031
38. X.D. Gao, E.Y. Jiang, H.H. Liu, W.B. Mi, Z.Q. Li, P. Wu, H.L. Bai. Structure and RT ferromagnetism of Fe-doped AlN films. Appl. Surf. Sci. 253, 5431 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.12.022
39. N.A. Ismayilova, D.P. Rai. Half-metallic ferromagnetism in TM-doped GaN nanosheet - a potential candidate for spintronics device application. NANO 19, 2450045 (2024).
https://doi.org/10.1142/S1793292024500450
40. S.G. Asadullayeva, N.A. Ismayilova, N.T. Mamedov, A.H. Bayramov, M.A. Musayev, Q.Y. Eyyubov, E.K. Kasumova, I.G. Afandiyeva, Kh.O. Sadig. Photoluminescence and density functional theory analysis of BaTiO3:Mn. Solid State Commun. 372, 115307 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.ssc.2023.115307
41. N.A. Ismayilova, S. Asadullayeva. Computationally predicted energies and properties of defects. Indian J. Phys. 98, 1103 (2024).
https://doi.org/10.1007/s12648-023-02858-x
42. S.G. Asadullayeva, N.A. Ismayilova. Effect of rare earth ions on the optical and electronic properties of defect chalcopyrite: Experimental and theoretical investigation. Solid State Commun. 394, 115725 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.ssc.2024.115725
43. A.O. Dashdemirov, S.G. Asadullayeva, A.S. Alekperov, N.A. Ismayilova. Electronic and optical properties of GeS and GeS:Gd. Int. J. Mod. Phys. B 35, 2150305 (2021).
https://doi.org/10.1142/S0217979221503057
44. N.A. Ismayilova. Electronic and magnetic properties of Mn-doped CdSe nanoribbon: First-principles calculations. Eur. Phys. J. Plus 139, 321 (2024).
https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-024-05122-1
45. N.A. Ismayilova. Room-temperature ferromagnetism in ZnTe nanosheet doped by transition metal atom. J. Supercond. Nov. Magn. 38, 80 (2025).
https://doi.org/10.1007/s10948-025-06920-z
46. N.A. Ismayilova, Z.A. Jahangirli, S.H. Jabarov. Mn impurity in InN nanoribbon: An ab initio investigation. J. Supercond. Nov. Magn. 36, 1983 (2023).
https://doi.org/10.1007/s10948-023-06641-1
47. N.A. Ismayilova, Z.A. Jahangirli. Electronic, optical and magnetic properties of TM-doped CdTe nanosheet: First-principles calculations. J. Magn. Magn. Mater. 626, 173079 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2025.173079
48. S.G. Asadullayeva, Z.A. Jahangirli, T.G. Naghiyev, A.S. Abiyev. Systematic analysis of the optical properties of ZnGa2Se4 single crystal. Curr. Appl. Phys. 76, 39 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.cap.2025.05.007
49. Z.A. Jahangirli, S.G. Asadullayeva, I.R. Amiraslanov, Q.Y. Eyyubov, A.B. Rahimli, A.S. Abiyev. Ab initio and experimental investigations of the electronic and optical properties of pure and p-Aminopyridine-intercalated In1.2Ga0.8S3. Indian J. Phys. 99, 2087 (2025).
https://doi.org/10.1007/s12648-024-03452-5
50. S.G. Asadullayeva, Z.A. Jahangirli, M.A. Musayev, Q.Y. Eyyubov, A.S. Abiyev. Near-infrared photoluminescence from ZnIn2S4 layered single crystals. Phys. Solid State 67, 429 (2025).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
