Den direkte observation af van der Waals stablingsafhængig mellemlagsmagnetisme

Materialeforskere har til formål at kontrollere krystalstrukturen af ​​et fast stof - i en kraftfuld tilgang til at manipulere deres grundlæggende egenskaber. Forskere kan opnå denne kontrol i van der Waals (vDW) materialer ved at modificere stablingsrækkefølgen gennem rotation og translation mellem vDW-lagene. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab , Weijong Chen og et forskerhold i de tværfaglige fysiske afdelinger, avancerede materialer, nanoelektronik enheder og kvantecomputere, og materialevidenskab og -teknik i Kina og USA observerede stablingsafhængig mellemlagsmagnetisme i den todimensionelle magnetiske halvleder chromtribromid (CrBr ₃ ).

De opnåede dette gennem den vellykkede vækst af et monolag og dobbeltlag af materialet ved hjælp af molekylær stråleepitaxi (MBE). Forskerne brugte in situ spin-polar scanning tunnelmikroskopi og spektroskopi til direkte at korrelere atomgitterstrukturen med den observerede magnetiske rækkefølge. De observerede det individuelle enkeltlag af CrBr ₃ at være ferromagnetisk, men mellemlagskoblingen i dobbeltlaget afhang af stablingsrækkefølgen til enten at være ferromagnetisk eller antiferromagnetisk. Observationer foretaget i arbejdet vil bane vejen for at manipulere 2-D magnetisme med lagvridningsvinkelkontrol.

At forstå typen af ​​van der Waals (vdW) stabling er afgørende for at bestemme egenskaberne af lagdelte vdW materialer. Svage vdW-mellemlag-interaktioner kan give forskere mulighed for at kontrollere rotations- og translationsfrihedsgrader mellem lag for at skabe et væld af nye materialer med særskilte stablingssymmetrier og funktionaliteter. Mens tidligere arbejde fokuserede på de elektroniske og optiske egenskaber ved vdW-stabling, forskere har gjort nylige opdagelser af magnetisme i todimensionale materialer ved hjælp af mekanisk eksfoliering og molekylær epitaxy-teknik. Blandt de nyligt opdagede 2-D magnetiske materialer, familien af ​​chromtrihalogenid CrX ₃ (hvor X kan være klor, brom eller jod) har fået stor opmærksomhed. Sådanne magnetiske strukturer kan føre til en række nye fænomener, herunder gigantisk tunnelmagnetoresistens, elektrisk styring af 2-D magnetisme og kæmpe ikke-gensidig optisk andenharmonisk generation.

I modsætning til chromtriiodid (CrI ₃ ), forskere fandt mellemlagskoblingen i atomisk tyndt chromtribromid (CrBr ₃ ) at være ferromagnetisk. I nærværende arbejde, Chen et al. anvendes derfor in situ spin-polariseret scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi til at etablere en direkte korrelation mellem den mellemlags magnetiske kobling og stabling strukturer i CrBr ₃ . Holdet voksede oprindeligt CrBr ₃ film på frisk kløvede, højt orienteret pyrolytisk grafit (HOPG) substrater ved anvendelse af molekylær stråleepitaksi (MBE). De overvågede prøveoverfladen under vækst in situ med reflekterende højenergi elektrondiffraktion (RHEED). De stribelignende RHEED-mønstre bekræftede en 2-D krystallinsk monolag tynd film af CrBr _3, hvilket Chen et al. verificeret ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi.

Ved yderligere aflejring, materialeforskerne aktiverede dobbeltlags CrBr ₃ øer til at danne trekantede klynger med jævne mellemrum. Krystalstrukturen af ​​CrBr ₃ molekyle indeholdt Cr-atomer arrangeret i et bikagegitter, omgivet af et oktaeder på seks Br-atomer. De bestemte tykkelsen af ​​monolaget til at være 6,5 Ångstrøm (Å) ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM). Både storskala topografi (overfladegeometri) og atomopløste STM-billeder viste vækst af CrBr i høj kvalitet ₃ monolag film. Holdet målte magnetiske egenskaber af den tynde film ved hjælp af spin-polariserede STM-målinger og bekræftede desuden eksistensen af ​​ferromagnetisme. For det, Chen et al. målte en række tunnelspektre (dI/dV) ved at feje magnetfeltet frem og tilbage. Observationen antydede, at epitaksial CrBr ₃ monolag dyrket på HOPG (højt orienteret pyrolytisk grafit) bibeholdt ferromagnetiske halvlederegenskaber. Efter bekræftelse af atomstrukturen og ferromagnetismen af ​​monolag CrBr _3, Chen et al. fokuseret på CrBr ₃ dobbeltlag.

I de MBE-dyrkede dobbeltlag, forskerne observerede H- og R-type stablingsstrukturer, hvor R-typen fastholdt begge lag på linje i samme orientering, mens H-typen tillod 180 graders rotation mellem dobbeltlagene. De strukturelle justeringer gav anledning til tydelig magnetisk kobling mellem mellemlag. For eksempel, i H-type stablet dobbeltlags CrBr ₃ , mellemlagskoblingen var ferromagnetisk. Hvorimod det stablede dobbeltlag af R-typen viste antiferromagnetisk koblet adfærd i dets grundtilstande, hvilket gav anledning til to yderligere magnetiseringskonfigurationer. Ved yderligere undersøgelse af mellemlagskobling, forskerne observerede to-plateau-adfærden for at demonstrere magnetisk felt-drevet overgang fra antiferromagnetisk til ferromagnetisk karakter.

På denne måde forskerne demonstrerede tydelig mellemlagsmagnetisme af den MBE-voksede bilag CrBr ₃ fra antiferromagnetisk kobling i R-type stabling til ferromagnetisk kobling i H-type stabling for at indikere den brede tunerbarhed af magnetisme på tværs af stablingsrækkefølgerne af 2-D materialer. Chen et al. krediterede mellemlagskoblingen i dobbeltlags CrBr ₃ til superexchange-interaktion styret af retningsbestemt hybridisering mellem p-orbitaler af brom (Br) og d-orbitaler af chrom (Cr). Da bindingsvinklerne og bindingsafstanden for Cr-Br-Br-Cr-udvekslingsvejen var stærkt afhængige af stablingsrækkefølgen, de forventer, at mellemlagsmagnetismen afhænger af mellemlagets afstand og atomare placering i forhold til den specifikke stablestruktur.

Mens de nøjagtige vækstmekanismer mangler at blive undersøgt, Chen et al. illustreret vigtigheden af ​​polytypisme (polymorfisme eller variation) i vDW-materialer og dets rolle i 2-D magnetisme. Det nye arbejde opfordrer til nøje at undersøge stablestrukturer i mekanisk eksfolieret CrX ₃ prøver for at forstå de tydeligt observerede egenskaber ved magnetisk kobling mellem lag. Forskerne forventer, at arbejdsprincippet manipulerer 2-D magnetisme ved at konstruere unikke rumligt afhængige spin-teksturer til en række applikationer med vDW-materialer.

© 2019 Science X Network