铁谷材料 Janus FeClF 单层中电子关联效应对电子性质的敏感影响

电子关联可能对一些具有特殊结构和局域轨道分布的材料的电子结构产生本质影响。本文以 Janus 单层 FeClF 为具体例子，采用广义梯度近似加 $U$ (GGA+$U$) 方法研究其关联效应对电子结构的影响。对于垂直磁各向异性 (PMA)，增强的电子关联效应可诱导铁谷 (FV) 到半谷金属 (HVM) 到量子反常霍尔 (QAH) 到 HVM 到 FV 的相变。对于 QAH 态，存在单位陈数和连接导带与价带的手性边缘态。HVM 态处于 QAH 相的边界，其载流子本征为 100% 谷极化。对于面内磁各向异性，未观察到特殊的 QAH 态和显著的谷极化。然而，对于面外和面内磁各向异性，随着 $U$ 增大均可观察到符号可逆的贝里曲率。研究发现这些现象与 $d_{xy}$/$d_{x^2-y^2}$ 和 $d_{z^2}$ 轨道分布的变化以及不同的磁晶方向有关。还发现磁各向异性能 (MAE) 和居里温度强烈依赖于 $U$。在 PMA 下，取典型 $U=$2.5 eV，可观察到电子谷极化，谷劈裂为 109 meV，其可通过反转磁化方向来切换。由于单层 FeXY (X/Y=F, Cl, Br 和 I) 与 FeClF 单层共享相同的 Fe 主导低能态和电子关联，该分析和结果可容易地推广到其另外九个成员。