We have studied the structural, electronic, and magnetic properties of the Cr-doped topological insulator Bi2Se3 within the density functional theory using the generalized gradient approximation in the framework of the fully relativistic spin-polarized Dirac linear muffin-tin orbital band-structure method. The X-ray absorption spectra and X-ray magnetic circular dichroism at the Cr K and L2,3 edges have been investigated theoretically from the first principles. The calculated results are in good agreement with the experimental data. The complex fine structure of the Cr L2,3 X-ray absorption spectra in Cr-doped Bi2Se3 has been found to be not compatible with a Cr2+ valency state. Its interpretation demands a mixed valent state.

1.
X.-L.
Qi
and
S.-C.
Zhang
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
1057
(
2011
).
2.
M. Z.
Hasan
and
C. L.
Kane
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
3045
(
2010
).
3.
K.
vol Klitzing
,
G.
Dorda
, and
M.
Pepper
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
494
(
1980
).
4.
D. J.
Thouless
,
M.
Kohmoto
,
M. P.
Nightingale
, and
M.
den Nijs
,
Phys. Rev. Lett.
49
,
405
(
1982
).
5.
C. L.
Kane
and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
226801
(
2005
).
6.
C. L.
Kane
and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
146802
(
2005
).
7.
B. A.
Bernevig
and
S. C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
106802
(
2006
).
8.
L.
Fu
and
C. L.
Kane
,
Phys. Rev. B
76
,
045302
(
2007
).
9.
D.
Hsieh
,
D.
Qian
,
L.
Wray
,
Y.
Xia
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
M. Z.
Hasan
,
Nature (London)
452
,
970
(
2008
).
10.
T.
Zhang
,
P.
Cheng
,
X.
Chen
,
J.-F.
Jia
,
X.
Ma
,
K.
He
,
L.
Wang
,
H.
Zhang
, and
X.
Dai
,
Z.
Fang
X.
Xie
, and
Q-Kn
Xue
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
266803
(
2009
).
11.
Y.
Xia
,
D.
Qian
,
D.
Hsieh
,
L.
Wray
,
A.
Pal
,
H.
Lin
,
A.
Bansil
,
D.
Grauer
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
M. Z.
Hasan
,
Nat. Phys.
5
,
398
(
2009
).
12.
Y. L.
Chen
,
J. G.
Analytis
,
J. H.
Chu
,
Z. K.
Liu
,
S. K.
Mo
,
X. L.
Qi
,
H. J.
Zhang
,
D. H.
Lu
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
,
S. C.
Zhang
,
I. R.
Fisher
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
Science
325
,
178
(
2009
).
13.
S. R.
Park
,
W. S.
Jung
,
C.
Kim
,
D. J.
Song
,
C.
Kim
,
S.
Kimura
,
K. D.
Lee
, and
N.
Hur
,
Phys. Rev. B
81
,
041405(R)
(
2010
).
14.
C.-X.
Liu
,
X.-L.
Qi
,
H. J.
Zhang
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
82
,
045122
(
2010
).
15.
L.
Fu
and
C. L.
Kane
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
096407
(
2008
).
16.
K. J.
Plucinski
,
W.
Gruhn
,
I. V.
Kityk
,
W.
Imiolek
,
H.
Kaddouri
, and
S.
Benet
,
Opt. Commun.
204
,
355
(
2002
).
17.
Y.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
82
,
102001
(
2013
).
18.
P.
Hosur
and
X.
Qi
,
C. R. Phys.
14
,
857
(
2013
).
19.
A. M.
Turner
and
A.
Vishwanath
,
Topol. Insul.
6
,
293
(
2013
).
20.
T. O.
Wehling
,
A.
Black-Schafferc
, and
A.
Balatsky
,
Adv. Phys.
63
,
1
(
2014
).
21.
A.
Burkov
,
J. Phys. Condens. Matter
27
,
113201
(
2015
).
22.
A.
Bansi
,
H.
Lin
, and
T.
Das
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
021004
(
2016
).
23.
H.
Weng
,
X.
Dai
, and
Z.
Fang
,
J. Phys. Condens. Matter
28
,
303001
(
2016
).
24.
N.
Armitage
,
E.
Mele
, and
A.
Vishwanath
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015001
(
2018
).
25.
M.
He
,
H.
Sun
, and
Q. L.
He
,
Front. Phys.
14
,
43401
(
2019
).
26.
Y.
Chen
,
X.
Gu
,
Y.
Li
,
X.
Du
,
L.
Yang
, and
Y.
Chen
,
Matter
3
,
1114
(
2020
).
27.
J.
Li
,
Z.
Zhang
,
C.
Wang
,
H.
Huang
,
B.-L.
Gu
, and
W.
Duan
,
J. Appl. Phys.
128
,
191101
(
2020
).
28.
C.-Z.
Chang
,
J.
Zhang
,
X.
Feng
,
J.
Shen
,
Z.
Zhang
,
M.
Guo
,
K.
Li
,
Y.
Ou
,
P.
Wei
,
L.-L.
Wang
,
Z.-Q.
Ji
,
Y.
Feng
,
S.
Ji
,
X.
Chen
,
J.
Jia
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
,
S.-C.
Zhang
,
K.
He
,
Y.
Wang
,
L.
Lu
,
X.-C.
Ma
, and
Q.-K.
Xue
,
Science
340
,
167
(
2013
).
29.
C.-X.
Liu
,
Q. X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
146802
(
2008
).
30.
Y. L.
Chen
,
J.-H.
Chu
,
J. G.
Analytis
,
Z. K.
Liu
,
K.
Igarashi
,
H.-H.
Kuo
,
X. L.
Qi
,
S. K.
Mo
,
R. G.
Moore
,
D. H.
Lu
,
M.
Hashimoto
,
T.
Sasagawa
,
S. C.
Zhang
,
I. R.
Fisher
,
Z.
Hussain
, and
Z. X.
Shen
,
Science
329
,
659
(
2010
).
31.
W.
Qin
and
Z.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
266806
(
2014
).
32.
W.
Liu
,
L.
He
,
Y.
Xu
,
K.
Murata
,
M. C.
Onbasli
,
M.
Lang
,
N. J.
Maltby
,
S.
Li
,
X.
Wang
,
C. A.
Ross
,
P.
Bencok
,
G.
van der Laan
,
R.
Zhang
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
15
,
764
(
2015
).
33.
W.-K.
Tse
and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
057401
(
2010
).
34.
X.-L.
Qi
,
R.
Li
,
J.
Zang
, and
S.-C.
Zhang
,
Science
323
,
1184
(
2009
).
35.
X.-L.
Qi
,
T. L.
Hughes
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
78
,
195424
(
2008
).
36.
C.-Z.
Chang
,
J.
Zhang
,
M.
Liu
,
Z.
Zhang
,
X.
Feng
,
K.
Li
,
L.-L.
Wang
,
X.
Chen
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
,
X.-L.
Qi
,
J.-F.
Jia
,
S.-C.
Zhang
, and
Q.-K.
Xue
,
Adv. Mater.
25
,
1065
(
2013
).
37.
Y.
Tserkovnyak
and
D.
Loss
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
187201
(
2012
).
38.
J. S.
Dyck
,
P.
Häjek
,
P.
Lostak
, and
C.
Uher
,
Phys. Rev. B
65
,
115212
(
2002
).
39.
J. S.
Dyck
,
C.
Drasar
,
P.
Lostak
, and
C.
Uher
,
Phys. Rev. B
71
,
115214
(
2005
).
40.
Y. S.
Hor
,
P.
Roushan
,
H.
Beidenkopf
,
J.
Seo
,
D.
Qu
,
J. G.
Checkelsky
,
L. A.
Wray
,
D.
Hsieh
,
Y.
Xia
,
S.-Y.
Xu
,
D.
Qian
,
M. Z.
Hasan
,
N. P.
Ong
,
A.
Yazdani
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. B
81
,
195203
(
2010
).
41.
M.
Kucera
,
J.
Kunes
,
A.
Kolomiets
,
M.
Divis
,
A. V.
Andreev
,
V.
Sechovsky
,
J. P.
Kappler
, and
A.
Rogalev
,
Phys. Rev. B
66
,
144405
(
2002
).
42.
V. N.
Antonov
,
L. V.
Bekenov
,
S.
Uba
, and
A.
Ernst
,
Phys. Rev. B
96
,
224434
(
2017
).
43.
P. P. J.
Haazen
,
J.-B.
Lalöe
,
T. J.
Nummy
,
H. J. M.
Swagten
,
P.
Jarillo-Herrero
,
D.
Heiman
, and
J. S.
Moodera
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
082404
(
2012
).
44.
J.-M.
Zhang
,
W.
Zhu
,
Y.
Zhang
,
D.
Xiao
, and
Y.
Yao
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
266405
(
2012
).
45.
Y. H.
Choi
,
N. H.
Jo
,
K. J.
Lee
,
J. B.
Yoon
,
C. Y.
You
, and
M. H.
Jung
,
J. Appl. Phys.
109
,
07E312
(
2011
).
46.
W.
Liu
,
D.
West
,
L.
He
,
Y.
Xu
,
J.
Liu
,
K.
Wang
,
Y.
Wang
,
G.
van der Laan
,
R.
Zhang
,
S.
Zhang
, and
K. L.
Wang
,
ACS Nano
9
,
10237
(
2015
).
47.
Y. J.
Chien
,
Transition metal-doped Sb2Te3 and Bi2Te3 diluted magnetic semiconductors PhD dissertation
(
Univ. Michigan
,
Michigan
,
2007
).
48.
C.-Z.
Chang
,
W.
Zhao
,
D. Y.
Kim
,
H.
Zhang
,
B. A.
Assaf
,
D.
Heiman
,
S.-C.
Zhang
,
C.
Liu
,
M. H. W.
Chan
, and
J. S.
Moodera
,
Nat. Mater.
14
,
473
(
2015
).
49.
Y. R.
Song
,
F.
Yang
,
M. Y.
Yao
,
F.
Zhu
,
L. M.
Ans
,
J. P.
Xu
,
M. X.
Wang
,
H.
Li
,
X.
Yao
,
F.
Ji
,
S.
Qiao
,
Z.
Sun
,
G. B.
Zhang
,
B.
Gao
,
C.
Liu
,
D.
Qian
,
C. L.
Gao
, and
J.-F.
Jia
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
242403
(
2012
).
50.
T.
Chen
,
W.
Liu
,
F.
Zheng
,
M.
Gao
,
X.
Pan
,
G.
van der Laan
,
X.
Wang
,
Q.
Zhang
,
F.
Song
,
B.
Wang
,
Y.
Xu
,
G.
Wang
, and
R.
Zhang
,
Adv. Mater.
27
,
4823
(
2015
).
51.
V. N.
Antonov
,
L. V.
Bekenov
,
S.
Uba
, and
A.
Ernst
,
Acta Phys. Pol. A
133
,
453
(
2017
).
52.
S. E.
Harrison
,
L. J.
Collins-McIntyre
,
S.-L.
Zhang
,
A. A.
Baker
,
A. I.
Figueroa
,
A. J.
Kellock
,
A.
Pushp
,
S. S. P.
Parkin
,
J. S.
Harris
,
G.
van der Laan
, and
T.
Hesjedal
,
J. Phys. Condens. Matter
27
,
245602
(
2015
).
53.
A. I.
Figueroa
,
G.
van der Laan
,
L. J.
Collins-McIntyre
,
S. L.
Zhang
,
A. A.
Baker
,
S. E.
Harrison
,
P.
Schonherr
,
G.
Cibin
, and
T.
Hesjedal
,
Phys. Rev. B
90
,
134402
(
2014
).
54.
A. A.
Baker
,
A. I.
Figueroa
,
K.
Kummer
,
L. J.
Collins-McIntyre
, and
T.
Hesjedal
, and
G.
van der Laan
,
Phys. Rev. B
92
,
094420
(
2015
).
55.
W.
Liu
,
Y.
Xu
,
L.
He
,
G.
van der Laan
,
R.
Zhang
, and
K.
Wang
,
Sci. Adv.
5
,
eaav2088
(
2019
).
56.
E. M.
Black
,
L.
Conwell
,
L.
Seigle
, and
C. W.
Spencer
,
J. Phys. Chem. Solids
2
,
240
(
1957
).
57.
A. D.
LaForge
,
A.
Frenzel
,
B. C.
Pursley
,
T.
Lin
,
X.
Liu
,
J.
Shi
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. B
81
,
125120
(
2010
).
58.
G. Y.
Guo
,
H.
Ebert
,
W. M.
Temmerman
, and
P. J.
Durham
,
Phys. Rev. B
50
,
3861
(
1994
).
59.
V. N.
Antonov
,
A. I.
Bagljuk
,
A. Y.
Perlov
,
V. V.
Nemoshkalenko
,
V. N.
Antonov
,
O. K.
Andersen
, and
O.
Jepsen
,
Phys. Nizk. Temp.
19
,
689
(
1993
) [Low Temp. Phys. 19, 494 (1993)].
60.
V.
Antonov
,
B.
Harmon
, and
A.
Yaresko
,
Electronic Structure and Magneto-Optical Properties of Solids
(
Kluwer
,
Dordrecht
,
2004
).
61.
E.
Arola
,
M.
Horne
,
P.
Strange
,
H.
Winter
,
Z.
Szotek
, and
W. M.
Temmerman
,
Phys. Rev. B
70
,
235127
(
2004
).
62.
B. T.
Thole
and
G.
van der Laan
,
Phys. Rev. B
38
,
3158
(
1988
).
63.
B. T.
Thole
,
P.
Carra
, and
F.
Sette
, and
G.
van der Laan
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
1943
(
1992
).
64.
P.
Carra
,
B. T.
Thole
,
M.
Altarelli
, and
X.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
694
(
1993
).
65.
B. T.
Thole
and
G.
van der Laan
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
2499
(
1993
).
66.
G.
van der Laan
and
B. T.
Thole
,
Phys. Rev. B
53
,
14458
(
1996
).
67.
G.
van der Laan
,
Phys. Rev. B
57
,
112
(
1998
).
68.
V. N.
Antonov
,
O.
Jepsen
,
A. N.
Yaresko
, and
A. P.
Shpak
,
J. Appl. Phys.
100
,
043711
(
2006
).
69.
V. N.
Antonov
,
B. N.
Harmon
,
A. N.
Yaresko
, and
A. P.
Shpak
,
Phys. Rev. B
75
,
184422
(
2007
).
70.
V. N.
Antonov
,
A. N.
Yaresko
, and
O.
Jepsen
,
Phys. Rev. B
81
,
075209
(
2010
).
71.
V. P.
Antropov
,
V. N.
Antonov
,
L. V.
Bekenov
,
A.
Kutepov
, and
G.
Kotliar
,
Phys. Rev. B
90
,
054404
(
2014
).
72.
O. K.
Andersen
,
Phys. Rev. B
12
,
3060
(
1975
).
73.
A. Y.
Perlov
,
A. N.
Yaresko
, and
V. N.
Antonov
,
PYLMTO, A spin-polarized relativistic linear muffin-tin orbitals package for electronic structure calculations
(
1995
) [unpublished].
74.
V. V.
Nemoshkalenko
,
A. E.
Krasovskii
,
V. N.
Antonov
,
V. N.
Antonov
,
U.
Fleck
,
H.
Wonn
, and
P.
Ziesche
,
Phys. Status Solidi B
120
,
283
(
1983
).
75.
A. H.
MacDonald
,
W. E.
Pickett
, and
D. D.
Koelling
,
J. Phys. C
13
,
2675
(
1980
).
76.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
77.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
78.
P. E.
Blöchl
,
O.
Jepsen
, and
O. K.
Andersen
,
Phys. Rev. B
49
,
16223
(
1994
).
79.
R. W.
Wyckoff
,
Crystal Structures
(
Wiley
,
New York
,
1964
), Vol.
2
.
80.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
81.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
82.
J. L.
Campbell
and
T.
Parr
,
At. Data Nucl. Data Tables
77
,
1
(
2001
).
83.
C.-X.
Liu
,
H. J.
Zhang
,
B.
Yan
,
X.-L.
Qi
,
T.
Frauenheim
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
81
,
041307(R)
(
2010
).
84.
O. V.
Yazyev
,
J. E.
Moore
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
266806
(
2010
).
85.
P.
Rakyta
,
B.
Ujfalussy
, and
L.
Szunyogh
,
New J. Phys.
17
,
123011
(
2015
).
86.
T.
Förster
,
P.
Krüger
, and
M.
Rohlfing
,
Phys. Rev. B
93
,
205442
(
2016
).
87.
Y.
Zhang
,
K.
He
,
C.-Z.
Chang
,
C.-L.
Song
,
L.-L.
Wang
,
X.
Chen
,
J.-F.
Jia
,
Z.
Fang
,
X.
Dai
,
W.-Y.
Shan
,
S.-Q.
Shen
,
Q.
Niu
,
X.-L.
Qi
,
S.-C.
Zhang
,
X.-C.
Ma
, and
Q.-K.
Xue
,
Nature Phys.
6
,
584
(
2010
).
88.
H. M.
Benia
,
C.
Lin
,
K.
Kern
, and
C. R.
Ast
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
177602
(
2011
).
89.
M.
Bianchi
,
R. C.
Hatch
,
D.
Guan
,
T.
Planke
,
J.
Mi
,
B. B.
Iversen
, and
P.
Hofmann
,
Semicond. Sci. Technol.
27
,
124001
(
2012
).
90.
F. M. F.
de Groot
,
J. C.
Fuggle
,
B. T.
Thole
, and
G. A.
Sawatzky
,
Phys. Rev. B
42
,
5459
(
1990
).
You do not currently have access to this content.