Theory of spintronics in lateral and vertical heterostructures of monolayer transition–metal dichalcogenides

Abstract

Tek katmanlı geçiş–metali dikalkojenleri; yarıiletken MoTe2, metalik NiTe2 ve yarı–metalik FeTe2, ile oluşturulan çeşitli biçimlerde yanal (düzlem–içi) ve dikey (van der Waals) heteroyapıların elektronik ve manyetik özellikleri ab–initio hesaplamaları kullanılarak incelenmiştir. Hedefimiz, bileşenlerin büyüklük ve boyutsallığının heteroyapıların ve kompozit malzemelerin elektronik ve manyetik yapıları üzerindeki etkilerini ortaya çıkarmaktır. Yarıiletken MoTe2 ve metalik NiTe2'den oluşan heteroyapılar, kompozit metallerden ayarlanabilir Schottky bariyerli metal–yarıiletken eklemlerine kadar bir dizi elektronik özellik göstermektedir. Bunun yanında, tek katmanlı FeTe2, VS2 ve NiTe2 geçiş metali dikalkojenlerinin gerçek manyetik temel durumları olarak, homojen olmayan manyetik moment konfigürasyonlarına sahip olduğu ortaya çıkarılmıştır. Yalnızca geçiş–metali atomlarının manyetik momentlerini dikkate alan daha önceki çalışmaların aksine, kalkojen atomları, p–d hibridizasyonu yoluyla spin polarizasyonu sonucu, ferrimanyetik düzeni andıran, kendi başlarına önemli, antiparalel manyetik momentlere sahiptir. Manyetik FeTe2 ve NiTe2 şeritlerinden oluşturulan yanal heteroyapılar, her iki bileşen şerit için de yarı–metalik olduğu bulunmuştur. Yarı–metaliklik, eklemin FeTe2 tarafından sınırdaki güçlü Fe–Te–Ni bağları yoluyla, tek başına metalik olan bitişik NiTe2 tarafına yayılır. Buna karşılık, ara katman etkileşimlerinin oldukça zayıf olduğu, ince dikey heteroyapılarda, yarı–metalik karakter sadece FeTe2 tarafında korunurken; NiTe2 tarafı ise spin–polarize metal olarak kalır. Bu nedenle, bu dikey heteroyapılar, bir spin yönü için diyot veya spin vanası olarak işlev gören Schottky bariyeri ile yarıiletken–metal eklemi oluştururken, zıt spin yönü için ise iletken olarak işlev gören bir metal–metal bağlantısı oluşturmaktadır.

Electronic and magnetic properties of various forms of lateral (in–plane) and vertical (van der Waals) heterostructures constructed from transition–metal dichalcogenide monolayers viz.; semiconducting MoTe2, metallic NiTe2, and half–metallic FeTe2 have been investigated using the ab–initio calculations. The objectives are to reveal the effects of size and dimensionality of constituents on the electronic and magnetic structures of the heterostructures and composite materials. The heterostructures composed of semiconducting MoTe2 and metallic NiTe2 display a number of electronic properties ranging from composite metals to metal–semiconductor junctions with a tunable Schottky barrier. Besides, true magnetic ground states of FeTe2, VS2, and NiTe2 monolayers, which comprise inhomogeneous magnetic moment configurations are revealed. In contrast to earlier studies considering only the magnetic moments of transition–metal atoms, the chalcogen atoms by themselves have significant, antiparallel magnetic moments, which is reminiscent of ferrimagnetic order, owing to the spin polarization through p–d hybridization. The lateral heterostructures formed from the stripes of magnetic FeTe2 and NiTe2 constituents are found to be half–metallic within both constituent stripes. Half–metallicity spreads from the FeTe2 side of the junction to the adjacent NiTe2 side, which is metallic when stand–alone, through strong Fe–Te–Ni bonds at the boundary. In contrast, in the thin, vertical heterostructures, where the interlayer coupling is rather weak, the half–metallic character is retained only in the FeTe2 side; the NiTe2 side remains a spin–polarized metal. Hence, these vertical heterostructures form a semiconductor–metal junction with a Schottky barrier for one spin direction to function as a diode or spin valve, but a metal–metal junction for the opposite spin direction to function as a conductor.