Nanoscale magnetism and novel electronic properties of a bilayer bismuth(111) film with vacancies and chemical doping

文献情報

出版日 2016-06-29
DOI 10.1039/C6CP03056D
インパクトファクター 3.676
著者

Yajun Zhang


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要旨

Magnetically doped topological insulators (TIs) exhibit several exotic phenomena including the magnetoelectric effect and quantum anomalous Hall effect. However, from an experimental perspective, incorporation of spin moment into 3D TIs is still challenging. Thus, instead of 3D TIs, the 2D form of TIs may open up new opportunities to induce magnetism. Based on first principles calculations, we demonstrate a novel strategy to realize robust magnetism and exotic electronic properties in a 2D TI [bilayer Bi(111) film: abbreviated as Bi(111)]. We examine the magnetic and electronic properties of Bi(111) with defects such as bismuth monovacancies (MVs) and divacancies (DVs), and these defects decorated with 3d transition metals (TMs). It has been observed that the MV in Bi(111) can induce novel half metallicity with a net magnetic moment of 1 μB. The origin of half metallicity and magnetism in MV/Bi(111) is further explained by the passivation of the σ-dangling bonds near the defect site. Furthermore, in spite of the nonmagnetic nature of DVs, the TMs (V, Cr, Mn, and Fe) trapped at the 5/8/5 defect structure of DVs can not only yield a much higher spin moment than those trapped at the MVs but also display intriguing electronic properties such as metallic, semiconducting and spin gapless semiconducting properties. The predicted magnetic and electronic properties of TM/DV/Bi(111) systems are explained through density of states, spin density distribution and Bader charge analysis.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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