Visualisering af atomstruktur og magnetisme af 2-D magnetiske isolatorer

NUS-forskere har demonstreret en generel tilgang til karakterisering af den atomare struktur og elektroniske og magnetiske egenskaber af todimensionelle (2-D) magnetiske isolatorer ved hjælp af scanning-tunneling mikroskopi.

Den nylige opdagelse af 2-D magneter og udviklingen af ​​van der Waals (vdW) heterostrukturkonstruktion giver hidtil usete muligheder, ikke kun for at udforske magnetismens spændende fysik i reducerede dimensioner, men også at udvikle den nye generation af spintroniske enheder til kvanteteknologiske applikationer. Yderligere udviklinger på dette område involverer forståelsen på atomniveau af elektroniske og magnetiske egenskaber af 2-D magneter og deres heterostrukturer. Desværre, den direkte anvendelse af konventionel scanning tunneling mikroskopi (STM) teknikker til at lære mere om materialets egenskaber fungerer ikke godt for 2-D magnetiske isolatorer. STM-billeddannelse er afhængig af kvantetunneleffekten, hvorved elektroner tunnelerer fra den atomisk skarpe spids til de ledende prøver eller omvendt. Det kan ikke anvendes til at studere isolerende bulkmaterialer, da der ikke er en ledende bane.

Et NUS forskerhold ledet af prof Jiong Lu fra Institut for Kemi, NUS har demonstreret anvendelsen af ​​STM til at studere isolerende antiferromagnetisk chrom(III)iodid (CrI) ₃ ) krystaller ved at inkorporere dem med grafen-baserede vdW heterostrukturer (se figur). Dette arbejde er i samarbejde med Prof Kostya S. Novoselov fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, NUS. Deres teknik udvider STM's evne ved at gøre det muligt at studere isoleringsmaterialer for at få indsigt i den magnetiske rækkefølge i 2-D magneter.

Ved at dække materialet under undersøgelse med et enkelt lag grafen, forskerholdet er i stand til at opnå stablingsrækkefølgen og mellemlagsmagnetisk kobling af eksfolieret CrI ₃ som er et par lag tykt ved at bruge STM-billeddannelse ved lave temperaturforhold. De identificerede også den magnetiske struktur og demonstrerede, at STM-billeddannelse kan skelne mellem de ferromagnetiske og antiferromagnetiske strukturer af CrI ₃ (få lag tykke). Dette skyldes den ejendommelige interaktion mellem de magnetiske tilstande og den overliggende grafen.

Prof Lu sagde, "Vores tilgang er generel, og det repræsenterer et gennembrud inden for atomare skala karakterisering af atomstrukturen, elektroniske og magnetiske egenskaber af forskellige magnetiske isolatorer og deres vdW-heterostrukturer. Det kan lette udviklingen af ​​2-D magnetiske isolatorer til næste generation af spintroniske enheder