Lokaliserede magnetiske momenter induceret af atomare ledige stillinger i overgangsmetal dichalcogenid flager

Fremkomsten af ​​todimensionelle (2-D) materialer giver en fremragende platform til at udforske og modulere eksotiske fysiske egenskaber i 2-D grænsen, og har drevet udviklingen af ​​moderne kondenseret stoffysik og nanoelektroniske enheder. Blandt forskellige eksotiske fysiske egenskaber, 2-D magnetisme er et af de vigtigste emner, som viser potentiel anvendelse i spintronics. I de seneste år, forskere har opdaget en række iboende 2-D magnetiske materialer, såsom CrI ₃ , Fe ₃ GeTe ₂ , osv. Dog de fleste af de endnu opdagede 2-D magnetiske materialer er ustabile i atmosfæren, hvilket begrænser yderligere undersøgelse og anvendelse af 2-D magnetisme. Derfor, nøglespørgsmålet er, hvordan man inducerer magnetisme i luftstabile 2-D materialer.

For nylig, Professor Wang Jian ved Peking University, i samarbejde med professor Duan Wenhui ved Tsinghua University, og professor Zhang Yanfeng ved Peking Universitet, detekteret lokaliserede magnetiske momenter induceret af Pt ledige stillinger i overgangsmetal dichalcogenid PtSe ₂ flager, og afslørede oprindelsen og flagetykkelsesafhængigheden af ​​de lokaliserede magnetiske momenter. Artiklen med titlen "Magnetic Moments Induced by Atomic Vacancies in Transition Metal Dichalcogenide Flakes" blev offentliggjort online i Avancerede materialer . Professor Wang ved Peking Universitet, Professor Duan ved Tsinghua University og professor Zhang ved Peking University er de tilsvarende forfattere til denne artikel. Ge Jun, Luo Tianchuang ved Peking University, Lin Zuzhang ved Tsinghua University, og Shi Jianping ved Wuhan University bidrog lige så meget til dette arbejde (fælles første forfattere).

PtSe ₂ flager med tykkelser på 8-70 nm blev dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD), og deres høje krystallinske kvalitet blev bekræftet ved transmissionselektronmikroskopi og valgt områdeelektrondiffraktion. Forskerne fremstillede yderligere PtSe ₂ enheder af forskellig tykkelse og studerede deres elektriske transportegenskaber. Den langsgående modstand falder med faldet i temperaturen i højtemperaturregime, hvilket er typisk metallisk adfærd. Interessant nok, ved yderligere at sænke temperaturen, den langsgående modstand stiger logaritmisk og har derefter tendens til at mættes ved ultralave temperaturer.

Ved lave temperaturer, isotrop negativ magnetoresistens (NMR) detekteres, når et magnetfelt i planet påføres. Yderligere analyse viser, at den logaritmiske stigning i den langsgående modstand med faldet i temperaturen og den isotrope NMR stammer fra Kondo-effekten. Den velkendte Kondo-effekt opstår normalt i et ikke-magnetisk metal doteret med magnetiske urenheder, som følge af udvekslingsinteraktionen mellem spins af ledningselektroner fra ikke-magnetiske værter og magnetiske urenheder. Imidlertid, karakteriseringsresultaterne har vist, at der ikke er magnetiske elementer i PtSe ₂ flager.

Oprindelsen af ​​de lokaliserede magnetiske momenter i PtSe ₂ flager afsløres ved teoretiske beregninger. Det er uundgåeligt, at Pt-vacancedefekterne opstår under væksten af ​​PtSe ₂ flager. De ledige Pt-stillinger resulterer i en asymmetrisk fordeling af de besatte spin-majoritets- og minoritetstilstande af p-orbitaler af de tre tilstødende selenatomer, endelig giver anledning til de lokaliserede magnetiske momenter. Overraskende nok, de observerede magnetiske momenter synes at være tykkelsesafhængige. Når du reducerer tykkelsen af ​​flager, det lokaliserede magnetiske moment bliver større. Teoretisk set, det lokale magnetiske moment i prøven er hovedsageligt bidraget af de ledige Pt-stillinger på prøveoverfladen. Med faldende tykkelse af PtSe ₂ flage, overflade-til-bulk-forholdet stiger, fører til en stigning i den relative andel af ledige pladser. Som resultat, det gennemsnitlige magnetiske moment induceret pr. defekt stiger med den faldende tykkelse, hvilket stemmer overens med de eksperimentelle observationer. Dette arbejde giver en ny vej til modulering af magnetisme på atomær skala i ikke-magnetiske 2-D materialer, især i luftstabile 2-D materialer, og har potentiel betydning i udviklingen af ​​spintronik og kvanteinformation.