Стабильность, электронные и магнитные свойства Дираковского полуметалла Cd₃As₂, легированного марганцем и хромом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Легирование дираковских полуметаллов магнитными атомами обещает создание новых топологических материалов с нарушенной симметрией по отношению к обращению времени. Согласно теоретическим моделям, в них должны наблюдаться необычные транспортные свойства: отрицательное магнитосопротивление, π-эффект Ааронова–Бома, квантовый эффект Холла и др. Однако реальные сплавы являются сложными объектами, во многом отличными от модельных представлений. В настоящей работе на основе первопринципных расчетов анализируются стабильность и свойства двух сплавов замещения на основе дираковских полуметаллов Cd3As2: (Cd1–xMnx)3As2 и (Cd1–xCrx)3As2. Основное различие между этими топологическими сплавами обусловлено типом легирования: изовалентным в случае Mn и неизовалентным – в случае Cr. Расчеты показывают, что валентность легирующих атомов непосредственно определяет положение уровня Ферми и характер спинового упорядочения в сплаве, а также сохранение конуса Дирака в электронном спектре. Найденные особенности носят закономерный характер и слабо зависят от деталей пространственного расположения магнитных атомов в сплавах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Э. Т. Кулатов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kulatov@nsc.gpi.ru
Россия, Москва

Ю. А. Успенский

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Email: uspenski@td.lpi.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Armitage N.P., Mele E.J., Vishvanath A. Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90. № 1. 015001. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.015001
  2. Wang S., Lin B.C., Wang A.Q., Yu D.P., Liao Z.M. Quantum Transport in Dirac and Weyl Semimetals: A Review // Adv. Phys.: X. 2017. V. 2. P. 518–544. https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1327329
  3. Burkov A.A. Topological Semimetal // Nat. Mater. 2016. V. 15. P. 1145–1148. https://doi.org/10.1038/nmat4788
  4. Wang A.-Q., Ye X.-G., Yu D.-P., Liao Z.M. Topological semimetal nanostructures: from properties to topotronics // ACS Nano. 2020. V. 14. P. 3755–3778. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07990
  5. Liu P., Williams J.R., Cha J.J. Topological nanomaterials // Nat. Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 479–496. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0113-4
  6. Wang L.X., Li C.Z., Yu D.P., Liao Z.M. Aharonov–Bohm Oscillations in Dirac Semimetal Cd3As2 Nanowires // Nat. Commun. 2016. V. 7. 10769. https://doi.org/10.1038/ncomms10769
  7. Yu W., Pan W., Medlin D.L., Rodriguez M.A., Lee S.R., Bao Z.Q., Zhang F. π and 4π Josephson Effects Mediated by a Dirac Semimetal // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. 177704. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.177704
  8. Ali M.N., Gibson Q., Jeon S., Zhou B.B., Yazdani A., Cava R.J. The crystal and electronic structures of Cd3As2, the three-dimensional electronic analogue of graphene // Inorg. Chem. 2014. V. 53. P. 4062–4067. https://doi.org/10.1021/ic403163d
  9. He L.P., Hong X.C., Dong J.K., Pan J., Zhang Z., Zhang J., Li S.Y. Quantum transport evidence for the three-dimensional Dirac semimetal phase in Cd3As2 // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. 246402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.246402
  10. Lv B.Q., Qian T., Ding H. Experimental perspective on three-dimensional topological semimetals // Rev. Mod. Phys. 2021. V. 93. 025002. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.025002
  11. Bernevig B., Felser C., Beidenkopf H. Progress and prospects in magnetic topological materials // Nature. 2022. V. 603. P. 41–51. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04105-x
  12. Deng M.-X., Luo W., Wang R.-Q., Sheng L., Xing D.Y. Weyl semimetal induced from a Dirac semimetal by magnetic doping // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 155141–155147. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155141
  13. Neupane M., Xu S.-Y., Sankar R., Alidoust N., Bian G., Liu C., Belopolski I., Lin H., Bansil A., Chou F., Hasan M.Z., Chang T.-R., Jeng H.-T. Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2 // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 3786–3793. https://doi.org/10.1038/ncomms4786
  14. Liu Z.K., Jiang J., Zhou B., Wang Z.J., Zhang Y., Weng H.M. et al. A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2 // Nat. Mater. 2014. V. 13. P. 677–681. https://doi.org/10.1038/nmat3990
  15. Wang He, Wang H., Liu H., Lu H., Yang W., Jia S., Liu X.-J., Xie X.C., Wei J., Wang J. Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals // Nat. Mater. 2015. V. 15. № 1. P. 38–42. https://doi.org/10.1038/nmat4456
  16. Lu W., Ge S.F., Liu X.F., Lu H., Li C.Z., Lai J.W., Zhao C.A., Liao Z.M., Jia S., Sun D. Ultrafast relaxation dynamics of photoexcited Dirac fermions in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2 // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. 024303. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.024303
  17. Jin H., Dai Y., Ma Y.-D., Li X.-R., Wei W., Yua L., Huang B.-B. The electronic and magnetic properties of transition-metal element doped three-dimensional topological Dirac semimetal in Cd3As2 // J. Mater. Chem. C2015. V. 3. № 15. P. 3547–3551. https://doi.org/10.1039/C4TC02609H
  18. Guo J., Zhao X., Sun N., Xiao X., Liu W., Zhang Z. Tunable quantum Shubnikov–de Haas oscillations in antiferromagnetic topological semimetal Mn-doped Cd3As2 // J. Mater. Sci. Tech. 2021. V. 76. P. 247–253. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.023
  19. Kulatov E.T., Uspenskii Yu.A., Oveshnikov L.N., Mekhiya A.B., Davydov A.B., Ril’ A.I., Marenkin S.F., Aronzon B.A. Electronic, magnetic and magnetotransport properties of Mn-doped Dirac semimetal Cd3As2 // Acta Materialia. 2021. V. 219. P. 117249–117258. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117249
  20. Yuan X., Cheng P., Zhang L., Zhang C., Wang J., Sun Q., Zhou P., Zhang D.W., Hu Z., Wan X., Yan H., Li Z., Xiu F., Liu Y. Direct observation of Landau level resonance and mass generation in Dirac semimetal Cd3As2 // Nano Lett. 2017. V. 17. P. 2211–2219. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04778
  21. Liu Y., Tiwari R., Narayan A., Jin Z., Yuan X., Zhang C., Chen F., Li L., Xia Z., Sanvito S., Zhou P., Xiu F. Cr doping induced negative transverse magnetoresistance in Cd3As2 thin films // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. № 8. 085303. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.085303
  22. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total energy calculations using a plane–wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 16. P. 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
  23. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  24. Wang V., Xu N., Liu J.C., Tang G., Geng W.T. VASPKIT: A User-Friendly Interface Facilitating High-Throughput Computing and Analysis Using VASP Code // Computer Physics Communications. 2021. V. 267. P. 108033–108051. https://doi.org/10.17632/v3bvcypg9v.1
  25. Stoner E.C. Collective electron ferromagnetism // Proc. Roy. Soc. London A. 1938. V. 165. № 922. P. 372–414. 10.1098/rspa.1938.0066' target='_blank'>https://doi: 10.1098/rspa.1938.0066
  26. Kramers H.A. L’interaction entre les atomes magnétogènes dans un cristal paramagnétique // Physica. 1934. V. 1. P. 182–192. https://doi.org/10.1016/S0031-8914(34)90023-9
  27. Anderson P.W. Antiferromagnetism. Theory of superexchange interaction // Phys. Rev. 1950. V. 79. P. 350–356. https://doi.org/10.1103/PhysRev.79.350
  28. Zener C. Interaction between the d-shells in the transition metals. II. Ferromagnetic compounds of manganese with Perovskite structure // Phys. Rev. 1951. V. 82. P. 403–405. https://doi.org/10.1103/PhysRev.82.403
  29. Anderson P.W., Hasegawa H. Considerations on double exchange // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 675–681. https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.675
  30. Kulatov E., Uspenskii Y., Mariette H., Cibert J., Ferrand D., Nakayama H., Ohta H. Ab initio study of magnetism in III–V- and II–VI-based diluted magnetic semiconductors // J. Supercond. Nov. Magn. 2003. V. 16. P. 123–126. https://doi.org/10.1023/A:1023209423446
  31. Uspenskii Yu., Kulatov E., Mariette H., Nakayama H., Ohta H. Ab initio study of the magnetism in GaAs, GaN, ZnO, and ZnTe–based diluted magnetic semiconductors // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 258–259. P. 248–250. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)01033-8
  32. Uspenskii Yu.A., Kulatov E.T. Ab initio calculation and analysis of the properties of digital magnetic heterostructures and diluted magnetic semiconductors of IV and III–V groups // J. Magn. Magn. Mater. 2009. V. 321. P. 931–934. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2008.11.057
  33. Celinski Z., Burlan A., Rzepa B., Zdanowicz W. Preparation, structure and magnetic properties of (Cd1–xMnx)3As2 crystals // Mat. Res. Bull. 1987. V. 22. № 3. P. 419–426. https://doi.org/10.1016/0025-5408(87)90061-4
  34. Denissen C.J.M., Nishihara H., Nouwens P.A.M., Kopinga K., de Jonge W.J.M. Spin glass behavior of (Cd1–xMnx)3As2 // J. Magn. Magn. Mater. 1986. V. 54–57. № 3. P. 1291–1292. https://doi.org/10.1016/0304-8853(86)90823-1
  35. Denissen C.J.M., Nishihara H., van Gool J.C., de Jonge W.J.M. Magnetic behavior of the semimagnetic semiconductor (Cd1–xMnx)3As2 // Phys. Rev. B. 1986. V. 33. № 11. P. 7637–7646. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.33.7637
  36. Kulatov E.T., Uspenskii Yu.A., Kugel K.I. Non-trivial evolution of the Dirac cone in chromium doped Dirac semimetal Cd3As2 // J. Phys. Chem. Solids. 2024. V. 194. 112215. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112215
  37. Ril’ A.I., Oveshnikov L.N., Ovcharov A.V., Marenkin S.F. Synthesis and phase composition of Cd3As2 Dirac semimetal crystals doped with Cr // Vacuum. 2024. V. 230. 113692. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2024.113692

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Примитивные ячейки: конфигурация 1 (а), конфигурация 2 (б) и соответствующая им зона Бриллюэна (в) сплавов (Cd1–xMnx)3As2 и (Cd1–xCrx)3As2. Атомы Cd изображены фиолетовым цветом, атомы As – зеленым, а атомы Mn (или Cr) – синим.

Скачать (35KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Электронная структура ДП Cd₃As₂: (а) – зонная структура соединения вдоль нескольких направлений ЗБ, (б) – плотность электронных состояний (ПЭС) Cd₃As₂ вблизи уровня Ферми.

Скачать (36KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Плотность электронных состояний (ПЭС) в сплаве (Cd₁₋ₓMnₓ)₃As₂: слева – конфигурация 1, справа – конфигурация 2. Результаты расчетов для различных спиновых упорядочений показаны в рисунках: (а) – НМ-состояние, (б) – ФМ-состояние, (в) – АФМ-состояние. Парциальный вклад немагнитных атомов Mn показан зеленой линией, атомов Mn↑ – красной, а Mn↓ – синей линией. Для АФМ-состояния вклады Mn↑ и Mn↓ соответствуют первому атому Mn в примитивной ячейке Cd₃As₂

Скачать (88KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Плотность электронных состояний (ПЭС) в сплаве (Cd₁₋ₓCrₓ)₃As₂: слева – конфигурация 1, справа – конфигурация 2. Результаты расчетов для различных спиновых упорядочений показаны в рисунках: (а) – НМ-состояние, (б) – ФМ-состояние, (в) – АФМ-состояние. Обозначения для парциальных вкладов атомов Cr аналогичны обозначениям, использованным в рис. 3.

Скачать (97KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025