Spin-polarized nearly-free electron channels on fluorinated Ca2N electrenes
Canais de elétrons quase livres polarizados por spin em eletrenos Ca₂N fluorados
Autores:
- Pedro H. Souza
- José E. Padilha*
- Roberto H. Miwa
* Pesquisador NAPI EZC
Publicado 01 maio de 2026
Abstract
Two-dimensional (2D) materials combined with surface nearly free electrons (NFE) have been considered highly promising platforms for the development of 2D electronic devices. The incorporation of foreign elements introduces an additional degree of freedom to engineer both the electronic and magnetic properties of these materials. Here, we performed an ab initio study of Ca₂N electrenes fully (i.e., on both sides) adsorbed by fluorine atoms (F/Ca₂N/F). In these systems, the NFE states are suppressed, followed by the emergence of a net magnetic moment localized on the nitrogen atoms intercalated between the fluorinated calcium layers. Subsequently, we proposed lateral heterostructures combining F/Ca₂N/F regions with pristine Ca₂N electrenes [(Ca₂N)(F/Ca₂N/F)]. We found that the magnetic moment of the fluorinated regions promotes the emergence of spin-polarized NFE states confined along the pristine Ca₂N stripes. Further electronic transport calculations reveal that the F/Ca₂N/F regions act as spin-dependent scattering centers, effectively functioning as spin filters. These findings provide an important contribution to the development of spintronic devices based on 2D electrides.
Resumo
Materiais bidimensionais (2D), combinados com elétrons quase livres de superfície (NFE), têm sido considerados plataformas bastante interessantes para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos 2D. A incorporação adicional de elementos externos introduz um novo grau de liberdade para a engenharia das propriedades eletrônicas e magnéticas desses materiais. Neste trabalho, realizamos um estudo ab initio de eletrenos Ca₂N totalmente (isto é, em ambos os lados) adsorvidos por átomos de flúor (F/Ca₂N/F). Observou-se a supressão dos estados NFE nesses sistemas, acompanhada pelo surgimento de um momento magnético líquido localizado nos átomos de nitrogênio intercalados pelas camadas de cálcio fluoradas. Na sequência, propusemos heteroestruturas laterais combinando regiões F/Ca₂N/F com eletrenos Ca₂N puros [(Ca₂N)(F/Ca₂N/F)]. Verificamos que o momento magnético das regiões fluoradas promove o aparecimento de estados NFE polarizados por spin, confinados ao longo das faixas de Ca₂N puro. Cálculos adicionais de transporte eletrônico revelam que as regiões F/Ca₂N/F atuam como centros de espalhamento dependentes do spin, ou como filtros de spin. Acreditamos que esses resultados representam uma contribuição importante para o desenvolvimento de dispositivos espintrônicos baseados em eletrídeos bidimensionais.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
