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Van der Waals堆积相关层间磁性的直接观察

材料科学家旨在通过一种有效的方法来控制固体的晶体结构,以控制其基本特性。研究人员可以通过在vDW层之间旋转和平移修改堆叠顺序,从而在van der Waals(vDW)材料中实现这种控制。在《科学》杂志上发表的一项最新研究中,陈卫中和中美两国物理学,先进材料,纳米电子器件和量子计算以及材料科学与工程等跨学科部门的研究团队在以下两个方面观察到了与堆垛有关的层间磁性:尺寸的磁性半导体三溴化铬(CrBr 3)。

他们通过使用分子束外延(MBE)成功地使材料的单层和双层生长而实现了这一目标。研究人员使用原位自旋极性扫描隧道显微镜和光谱法将原子晶格结构与观察到的磁阶直接相关。他们观察到CrBr 3的单层是铁磁性的,但是双层中的层间耦合取决于堆叠顺序是铁磁性还是反铁磁性。作品中的观察结果将为通过层扭转角控制来操纵二维磁性铺平道路。

了解范德华(vdW)堆叠的类型对于确定分层vdW材料的性能至关重要。薄层间vdW交互作用较弱,可以使科学家控制层之间的旋转和平移自由度,以创建具有不同堆叠对称性和功能性的大量新材料。尽管先前的工作集中在vdW堆叠的电子和光学特性上,但科学家最近已经使用机械剥离和分子外延技术在二维材料中发现了磁性。在新发现的二维磁性材料中,三卤化铬CrX 3(其中X可以是氯,溴或碘)家族具有受到高度重视。这样的磁性结构能够导致许多新出现的现象,包括巨隧道磁阻,电气控制的2-d磁性和巨非可逆光学二次谐波产生。

在对比铬三碘化物(CRI 3),研究人员发现,在层间耦合原子级薄的三溴化铬(CrBr 3)是铁磁性的。在目前的工作中,Chen等。因此,使用原位自旋极化扫描隧道显微镜和光谱学在CrBr 3中的层间磁耦合和堆叠结构之间建立了直接的相关性。该团队最初使用分子束外延(MBE)在新鲜裂解的高取向热解石墨(HOPG)基底上生长CrBr 3膜。他们利用反射高能电子衍射(RHEED)在原位生长过程中监控了样品表面。条纹状的RHEED图案证实了CrBr 3的2-D晶体单层薄膜, Chen等人。验证使用扫描隧道显微镜。

在进一步沉积后,材料科学家使双层CrBr 3岛形成为周期性间隔的三角形簇。CrBr 3分子的晶体结构包含排列成蜂窝晶格的Cr原子,并被六个Br原子的八面体包围。他们使用原子力显微镜(AFM)将单层的厚度确定为6.5埃(Å )。大规模的形貌(表面几何形状)和原子分辨的STM图像均显示了CrBr 3单层膜的高质量生长。该团队使用自旋极化STM测量法测量了薄膜的磁性并进一步证实了铁磁性的存在。为此,Chen等。通过来回扫描磁场,测量了一系列的隧道光谱(dI / dV)。观察结果表明,在HOPG(高取向热解石墨)上生长的外延CrBr 3单层保持了半导体铁磁性能。在确认了单层CrBr 3的原子结构和铁磁性后, Chen等人。专注于CrBr 3双层。

在MBE生长的双层中,科学家观察到了H型和R型堆叠结构,其中R型将两层保持在同一方向排列,而H型则允许双层之间旋转180度。结构排列导致明显的层间磁耦合。例如,在H型堆叠双层CrBr 3中,层间耦合是铁磁性的。而R型堆叠双层在其基态下显示出反铁磁耦合的行为,从而产生了两个附加的磁化配置。在进一步检查层间耦合时,科学家观察到了两平台的行为,证明了磁场驱动的从反铁磁到铁磁的转变。

这样,科学家证明了MBE生长的双层CrBr 3的独特层间磁性,从R型堆叠中的反铁磁耦合到H型堆叠中的铁磁耦合,表明了跨二维材料堆叠顺序的广泛的磁场可调性。。Chen等。将双层CrBr 3中的层间耦合归因于溴(Br)的p轨道与d轨道之间的定向杂交控制的超交换相互作用铬(Cr)。由于Cr-Br-Br-Cr交换路径的键角和键距强烈依赖于堆叠顺序,因此他们期望层间磁性取决于层距和相对于特定堆叠结构的原子位置。

尽管确切的生长机制还有待研究,Chen等。说明了vDW材料中多型性(多态性或多样性)的重要性及其在二维磁性中的作用。这项新工作要求仔细检查机械剥离的CrX 3样品中的堆叠结构,以了解层间磁耦合的明显观察特性。研究人员期望工作原理能够通过设计独特的空间相关自旋纹理来操纵二维磁性,从而适用于vDW材料的各种应用。

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