CrCl3 与 CrBr3 磁各向异性的对比研究：第一性原理分析
材料科学
2026-03-03 v1
摘要
我们进行了关于层状铬三卤化物 CrCl3 和 CrBr3 中易磁化轴 (EMA) 的对比研究，这两种材料分别表现为平面内和平面外 EMA。利用密度泛函理论计算，我们展示了 EMA 由自旋轨道耦合引起的磁晶体各向异性能 (SOC-MAE) 与由偶极-偶极相互作用引起的形状磁各向异性能 (shape-MAE) 之间的相互作用所决定。在两种化合物中，Cr 的 d 轨道对 SOC-MAE 贡献相似，但关键区别源于卤素 p 轨道。在 CrCl3 中，局域化的 Cl 3p 轨道偏好 spin-flip SOC 相互作用，特别是 (px, py) 和 (py, pz) 通道之间的相互作用。这些通道以相反的符号——负和正——贡献，导致部分抵消，从而导致 shape-MAE 超过 SOC-MAE，从而优选平面内 EMA。相比之下，CrBr3 具有更宽松的 Br 4p 轨道，增强的 p-d 杂化，以及更强的 SOC。这导致更强的自旋守恒 SOC 相互作用，(px, py) 和 (py, pz) 通道均有显著贡献。在这种情况下，来自 (px, py) 通道的正向贡献超过来自 (py, pz) 通道的较小负向贡献，导致显著的净 SOC-MAE。因此，SOC-MAE 超过 shape-MAE，稳定平面外 EMA。这些发现表明，CrCl3 和 CrBr3 中磁各向异性的差异源于卤素 p 轨道空间分布、SOC 强度和杂化的差异，突显了轨道各向异性和自旋选择规则在支配层状半导体磁行为中的关键作用。
引用
@article{arxiv.2509.13824,
title = {Contrasting magnetic anisotropy in CrCl3 and CrBr3: A first-principles study},
author = {Jiazhuang Si and Shuyuan Liu and Bing Wang and Chongze Wang and Fengzhu Ren and Yu Jia and Jun-Hyung Cho},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.13824},
year = {2026}
}
备注
8 pages, 6 figures