Ф.И. Жуков1, А.В. Кудрявцев2

1,2 Российский технологический университет (МИРЭА) (Москва, Россия)
1 zhukovfe@gmail.com, 2 kudryavcev_a@mirea.ru

Постановка проблемы. Низкоразмерные материалы привлекают все большее внимание из-за своих уникальных свойств, обусловленных эффектами квантово-размерного ограничения. Одним из востребованных направлений исследований в данной сфере стало изучение двумерного магнетизма. Исследование электронных и магнитных свойств низкоразмерных систем с использованием теории функционала плотности (DFT) играет ключевую роль в современной науке о материалах, позволяя детально анализировать механизмы возникновения магнитного упорядочения и взаимосвязь между кристаллической структурой и электронными состояниями. Актуальной задачей является изучение физических свойств немагнитных подложек с адсорбированными переходными металлами. В настоящей работе проведено теоретическое исследование электронной структуры и магнитных свойств системы AlN-Fe.

Цель. Получить для выявления характеристик наиболее энергетически устойчивых положений адатомов значения энергий адсорбции на поверхность подложки и сравнить электронные плотности состояний для каждой из конфигураций, проанализаировать воздействие поправки Хаббарда на расчет электронной плотности системы с сильнокоррелированными d-элект­ронами железа.

Результаты. Определена наиболее энергетически выгодная конфигурация положения атома железа на поверхности монослойного нитрида алюминия. Приведено сравнение графиков плотности электронных состояний для четырех конфигураций положения адатомов с учетом Хаббардовской поправки и без нее. В ходе расчетов выяснено, что положение в позиции мостика (Bridge) наиболее выгодно с учетом поправки Хаббарда, в то время как без нее адатом железа располагается в позиции над азотом (N-top). Максимальный суммарный магнитный момент расчетной ячейки соответствует положению Bridge и составляет 14,091 μВ, где поправка Хаббарда значительно усиливает магнитный момент d-орбиталей каждого атома железа, с 2,976 μВ до 3,445 μВ.

Практическая значимость. Исследование выявляет связь между энергетически выгодными конфигурациями адатомов и их магнитными свойствами, что открывает возможность оптимизации характеристик материала для интеграции в инновационные устройства.

Жуков Ф.И., Кудрявцев А.В. Электронная структура и магнитные свойства монослойного нитрида алюминия с адатомами железа // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2025. Т. 17. № 2. С. 38–47. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202502-04

1. Khludkov S.S., Prudaev I.A., Root L.O., Tolbanov O.P., Ivonin I.V. Aluminum Nitride Doped with Transition Metal Group Atoms as a Material for Spintronics. Russian Physics Journal. 2021. V. 63(11). DOI:10.1007/s11182-021-02264-y.
2. Dhiman A.K., Matczak M., Gieniusz R., Sveklo I., Kurant Z., Guzowska U., Maziewski A. Thickness dependence of interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, magnetic anisotropy and spin waves damping in Pt/Co/Ir and Ir/Co/Pt trilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2020. P. 167485. DOI:10.1016/j.jmmm.2020.167485.
3. Meyer S., Perini M., von Malottki S., Kubetzka A., Wiesendanger R., von Bergmann K., Heinze S. Isolated zero field sub-10 nm skyrmions in ultrathin Co films. Nature Communications. 2019. V. 10(1). DOI:10.1038/s41467-019-11831-4.
4. Kartsev A., Oleg D.F., Bondarenko N., Kvashnin A.G. Stability and magnetism of FeN high-pressure phases. Physical Chemistry Chemical Physics. 2019. DOI:10.1039/c8cp07165a.
5. Kartsev A., Augustin M., Evans R.F.L., Novoselov K.S., Santos E.J.G. Biquadratic exchange interactions in two-dimensional magnets. Npj Computational Materials. 2020. V. 6(1). DOI:10.1038/s41524-020-00416.
6. Ibraheem F., Mahdy M.A., Mahmoud E.A., Ortega J.E., Rogero C., Mahdy I.A., El-Sayed A. Tuning Paramagnetic effect of Co-Doped CdS diluted magnetic semiconductor quantum dots. Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 155196. doi:10.1016/j.jallcom.2020.155196 .
7. Duy Khanh Nguyen, Tuan V. Vu, Hoat D.M. Antiferromagnetic ordering in the TM-adsorbed AlN monolayer (TM = V and Cr). RSC Advances. 2022. DOI: 10.1039/d2ra00849a.
8. Zheng F., Wang C., Zhang P. Polymeric Nitrogen Chain Confined Inside a Silicon Carbide Nanotube. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2012. V. 9(8). P. 1129–1133. DOI:10.1166/jctn.2012.2151.
9. Zongyu Huang, Guolin Hao, Chaoyu He, Hong Yang, Lin Xue et al. Density functional theory study of Fe adatoms adsorbed monolayer and bilayer MoS2 sheets. Journal of Applied Physics. 2013. http://dx.doi.org/10.1063/1.4818952.
10. Legrand J., Pigeat P., Easwarakhanthan T., Rinnert H. Structural and optical properties of magnetron-sputtered Er-doped AlN films grown under negative substrate bias. Applied Surface Science. 2014. V. 307. P. 189–196. DOI:10.1016/j.apsusc.2014.04.013.
11. Yahaya Saadu I., et al. DFT studies on structural, electronic and optical properties of aluminum nitride nanotube doped by different concentrations of boron. Materials Chemistry and Physics. 2024. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2024.129429.
12. Coey J.M.D. d0 ferromagnetism. Solid State Sciences. 2005. V. 7(6). P. 660–667. DOI:10.1016/j.solidstatesciences.2004.11.012.
13. Xie D. et al. Investigation of optical parameters of boron doped aluminium nitride films grown on diamond using spectroscopic ellipsometry. International Journal of Nanotechnology. 2015. V. 12(1/2). P. 97. DOI:10.1504/ijnt.2015.066197.
14. Банников В.В., Кудякова В.С., Елагин А.А., Баранов М.В., Бекетов А.Р. Электронное строение и магнитные свойства гексагональной и кубической модификаций нитрида алюминия, активированного примесями sp-элементов (B, C, O) // Журнал структурной химии; УрФУ – Уральский федеральный университет, Екатеринбург, 2016. 8. DOI: 10.15372/JSC20160807.
15. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set, Phys. Rev. 1996ю B 54. P. 11169. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.11169.
16. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.77.3865.
17. Kresse G., Joubert D., From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. 1999. B 59. P. 1758. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.1758.
18. Dudarev S.L., Botton G.A., Savrasov S.Y., Humphreys C.J., Sutton A.P. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide:  An LSDA+U study. Physical Review B. 1998. V. 57(3). P. 1505–1509. DOI:10.1103/physrevb.57.1505.
19. Yu J.-X., Zang J. Giant perpendicular magnetic anisotropy in Fe/III-V nitride thin films. Sci. Adv. 2018. V. 4, P. eaar7814. 10.1126/sciadv.aar7814
20. Karami I., Ketabi S.A. Tuning of the electronic and optical properties of AlN monolayer by fluorination: Study of many-body effects. Computational Condensed Matter. 2021. V. 28. P. e00564. DOI:10.1016/j.cocom.2021.e00564.
21. Wang S., Tian H., Luo Y., Yu J., Ren C., Sun C., Sun M. First-principles calculations of aluminium nitride monolayer with chemical functionalization. Applied Surface Science. 2019. DOI:10.1016/j.apsusc.2019.02.015.
22. De Almeida E.F., de Brito Mota F., de Castilho C.M.C., Kakanakova-Georgieva A., Gueorguiev G.K. Defects in hexagonal-AlN sheets by first-principles calculations. The European Physical Journal B. 2012. V. 85(1). DOI:10.1140/epjb/e2011-20538-6