First-principles Study of Electronic, Magnetic, and Topological Properties of 2-Dimensional Kagome Metal-Organic Frameworks

Abstract

Advances in experimental techniques have led researchers to study various kinds of two-dimensional (2D) materials. After a basic understanding of 2D electronic structure in graphene-based systems, researchers are even introducing magnetism to 2D systems, especially in van der Walls (vdW) materials. Magnetic vdW materials exhibit a plethora of phenomena such as magnetic excitons, 2D ferromagnetism, and strain tunings. However, the chemical instability and low yield rate after exfoliation hinder the utilization of these materials for further applications. Among various 2D material families, metal-organic frameworks (MOFs) are considered a new class of materials where 2D properties can be ideally studied. Without the exfoliation process, MOFs nanosheets can be prepared by directly synthesizing metal and ligand constituents. The knowledge of coordination chemistry also enables us to tune the target properties of interest by choosing suitable ligands. Experiments suggest that some kagome MOFs can host ferromagnetism, quantum anomalous Hall effect, or spin liquid behavior. However, implementing magnetic properties in MOFs is usually challenging because distinct ligands can result in a different magnetic behavior even with the same metal atoms. Also, unlike the conventional transition metal oxides (TMOs) system, where the origin of magnetic interaction is well-known, we do not have a firm understanding of magnetic interaction occurring when complex ligand states are introduced into the system. To utilize MOFs as a plausible platform to study 2D magnetism, it is necessary to develop a general understanding of how these ligand states affect MOFs' electronic and magnetic properties. In this thesis, we establish a general picture of understanding the magnetic and topological properties of 2D kagome MOFs. From first-principles calculations, we determine their lattice, electronic structure, magnetic ground states, anisotropy, and topological properties on a series of transition metal atoms and ligands. We show that metal-ligand hybridization is a vital feature in the electronic structure of MOFs and identify the primary mechanism for magnetic ordering in 2D kagome MOFs. Comparing MOFs to TMOs, we establish what is common between these systems and what are unique characteristics of MOFs. Topological properties also depend on the metal-ligand hybridization, and we show how the quantum phase transition can be controlled. With these observations on chemical stability and peculiar electronic structure, we propose MOFs as another promising platform to study magnetism in 2D systems.

이차원 물질의 연구는 실험 기술의 발전과 함께 급속한 발전을 이루었다. 그래핀에 기반한 2차원 시스템에 대한 이해가 이루어진 후, 현재 연구자들은 반데르발스 물질이라고 물리는 2차원 물질에 자성을 도입하는 연구를 하고 있다. 자성 반데르발스 물질은 자성 엑시톤, 2차원 강자성, 변형을 통한 조절 등 다양한 물리적 현상을 보여준다. 하지만 박리 시 발생하는 화학적인 불안정과 낮은 수득률은 해당 물질의 응용을 가로막는 장벽이 되고 있다. 다양한 이차원 물질의 후보군 중, 금속유기화합물은 최근 들어 이차원 성질을 연구하기에 적절한 물질 군으로 새롭게 평가받고 있다. 금속유기화합물의 2차원 구조는, 박리과정 없이 바로 금속과 리간드를 반응시켜서 생성시키는 작용으로도 얻어질 수 있다. 또한, 이미 화학적으로 잘 알려진 유기물들의 성질을 활용해 원하는 물질의 성질을 조절할 수 있는 것이 금속유기화합물의 장점 중 하나이다. 몇몇 카고메 구조를 가지는 물질 군에서는 이미 강자성, 스핀류, 양자 홀 효과 같은 현상들이 보고되어 있다. 하지만 자성을 가지는 금속유기화합물을 설계하는 것은 일반적으로 어려운 일인데, 같은 금속이라도 리간드의 선택에 따라 자성이 쉽게 변하기 때문이다. 또한 자성 상호작용이 잘 알려진 전통적인 전이 금속산화물과는 다르게, 복잡한 리간드가 포함된 금속유기화합물의 경우 이것이 어떻게 되는지 잘 알려지지 않았다. 따라서 금속유기화합물을 가지고 2차원 자성을 연구하기 위해서는, 금속과 리간드의 상태가 어떻게 전기, 그리고 자성에 영향을 미치는지에 대한 이해를 증진할 필요가 있다. 본 연구에서는 이차원 카고메 격자 형태를 가지는 금속유기화합물의 전자, 자기, 위상적인 특징을 이해할 수 있는 이론을 제시한다. 제일 원리계산을 통하여 금속 및 리간드의 종류에 따라 해당 물질의 구조, 자화 상태, 위상학적 성질이 어떻게 변하는지를 계산하였다. 금속과 리간드의 결합상태가 특히나 이 물질의 여러 성질을 결정하는 요소 중 가장 중요한 요소임을 밝히고 자화의 원리 또한 제시한다. 또한 금속 유기 화합물과 전이 금속 산화물을 비교함으로써, 두 물질이 가진 공통점이 무엇이고, 이 물질만의 특이한 점이 무엇인지 확인한다. 위상학적 성질 또한 금속과 리간드의 결합에 크게 의존하게 되는데, 어떻게 이것을 조절할 수 있는지 제시한다. 이러한 화학적인 안정과 전자구조의 특이함을 기반으로, 본 연구는 금속유기화합물이 2차원 자성을 연구하기에 적합한 또 다른 대안이 될 수 있음을 제안한다.