Verkenning van door gatendoping geïnduceerd ferromagntisme in tweedimensionale materialen

Sinds de ontdekking van grafeen in 2004 hebben tweedimensionale (2D) materialen veel belangstelling gewekt, zowel wetenschappelijk als technologisch. Hun veelzijdige elektronische eigenschappen maken ze tot interessante kandidaatmaterialen om te worden geïntegreerd in toekomstige nano-elektronische apparaten. Magnetische 2D-materialen hebben de afgelopen jaren ook steeds meer onderzoeksaandacht gekregen vanwege hun mogelijke gebruik in spintronische apparaten.

In dit proefschrift onderzoeken we een nieuwe "familie"van 2D magnetische materialen, genaamd 2DHDFM, die intrinsiek niet-magnetische halfgeleiders zijn; bij dotering van gaten wordt voorspeld dat deze materialen ferromagnetische halfmetalen worden. Geïnspireerd door recent theoretisch werk over 2D GaS, GaSe en InSe, waarbij een dergelijke magnetische overgang bij doping van gaten wordt voorspeld, onderzoeken we eerst of deze overgang ook bestaat in hun oxide-tegenhangers, d.w.z. 2D galliumoxiden en indiumoxiden. Door berekeningen volgens het eerste principe te  combineren met een geavanceerde zoekmethode voor globale kristalstructuren, worden stabiele atomaire structuren van 2D galliumoxiden en indiumoxiden geïdentificeerd en wordt bevestigd
dat een ferromagnetische overgang bij dotering van gaten in deze materialen plaatsvindt. Hun magnetische eigenschappen worden systematisch onderzocht en hun uitwisselingskoppelingsparameters worden geëxtraheerd met behulp van een Heisenberg-model Hamiltoniaan; de uitwisselingskoppelingen worden vervolgens gebruikt om hun Curie-temperaturen te berekenen, met behulp van Monte Carlo-simulaties, en ze blijken te variëren van 45 K tot 125 K bij gatdichtheden van enkele 10^{14} /cm^2.

Vervolgens voeren we een high-throughput theoretisch onderzoek uit van 2DHDFM, gebaseerd op DFT-simulaties. We beschouwen enkele duizenden 2D niet-magnetische halfgeleiders, met behulp  van drie verschillende databases. Vervolgens identificeren we 122 materialen als veelbelovende 2DHDFM, en we vinden dat bijna de helft daarvan 2D-metaalhalogeniden zijn, naast chalcogeniden, oxiden en nitriden. Hun structurele, elektronische en magnetische eigenschappen worden in detail besproken, gebaseerd op de materiaalruimtegroepen. De uitwisselingsmechanismen die  verantwoordelijk zijn voor de ferromagnetische koppeling worden ook bestudeerd, en afhankelijk van de materiaalruimtegroep vinden we dat directe uitwisselingskoppeling tussen anionen p-orbitalen, evenals indirecte uitwisselingskoppeling tussen de anionen p-orbitalen en metalen p of d-orbitalen kunnen een belangrijke rol spelen. Sommige van deze 2DHDFM, vooral enkele 2D-  metaalhalogeniden, hebben Curie-temperaturen van meer dan 300 K voorspeld, zij het met een hoge doteringsdichtheid van typisch 6×10^{14} /cm^2.

Ten slotte worden ook de effecten van intrinsieke en extrinsieke puntdefecten op de elektronische en magnetische eigenschappen van enkele geselecteerde 2DHDFM-kandidaten bestudeerd. De  formatie-energieën en ladingsniveaus van deze defecten worden berekend met behulp van DFT-simulaties. De resultaten geven aan dat doping van het type p van 2D-nitriden (AlN, GaN, InN), sulfiden (ZnS, SnS2) en oxiden (Ga2O3) zeer onwaarschijnlijk is, aangezien de meeste defecten van het acceptortype diepe toestanden in hun energiebandkloof, die zich eerder gedragen als vangcentra voor ladingsdragers. Anderzijds worden meer veelbelovende resultaten verkregen voor de beschouwde 2D metaalhalogeniden, namelijk PbBr2 en HgBr2. In feite hebben zowel metaalvacatures als  dopingonzuiverheden, zoals S, Se en Li, relatief kleine formatie-energieën en produceren ze ondiepe acceptorniveaus, typisch minder dan 0.2 eV boven de rand van de valentieband.