复旦◆大学物理学系高春雷、吴施伟团▓队合作 解密二♂维磁性材料之堆叠与磁耦合间关联
近年来,新兴的二维磁性材料备受瞩目。相比于传统的三维空间结构,二维∑层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力,能够人为操控其层间↑堆叠方式,进而有可能影响其磁耦合特性,为新型二维自旋器件的研√制提供新思路。然而,堆叠方式与磁耦合间的关联机制之前仍不甚明晰,尚未在原子级层面获得实验的※直接观测。
针对这一▃问题,复旦大学物理∞学系教授高春雷、吴施伟团队联手↓协作,创造性地运用了原位化合物分子束外延生长技术和自旋极①化扫描隧道显☆微镜结合的实验手段,在原子级层面彻底厘清了双层二维磁性半々导体溴化铬(CrBr3)的层间堆叠和磁耦合间的关联,为二维磁性的调控指出了新的维度。北京时间11月22日凌晨,相关研究成→果以《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》(“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”)为题在线发表于《科学》(Science)主刊。
高春雷教授和吴施伟教授
实验突破:揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联↘性
近年来发现的▲二维磁性材料提供了研究堆叠与磁性的平台,其中三卤化铬家族CrX3(X = Cl,Br,I)引起了研究者的√特别关注。研究表明,CrBr3和CrI3的体材料和单层薄膜都具有面外易轴的铁︼磁性,且两者体材料的晶体㊣ 结构相似。然而,经由机械剥离而得的CrI3和CrBr3双层膜却呈现出迥然不同的磁耦合特性,前者在多种测量方式下均表现出出人意料的★层间反铁磁耦合,而机械剥离的CrBr3双层膜仍可保持层∩间铁磁耦合。这一反常现象是领域内的一大未解之谜,引起了广泛的兴ξ趣。它的内在物理机制如何?究竟是什◢么导致了层间磁耦合发生从铁磁性〓到反铁磁性的巨大转变?
团队基于以上科学问题,决定以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移ζ 的“自由”,从而使堆叠方式多样化成为可能。确实,在实ζ验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构(H型和R型),分别对应迥异的Ψ结构对称性。其中,R型堆叠结构中,双层膜上下两层间同向平行◇排列,且沿晶体镜面方向作一定平移;H型堆叠结构中,双层膜上下两层之间旋ぷ转了180度,反向平行交错排列。这两种结╳构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。
运用自主研制的自旋极化扫描隧道显微镜测量技术,团队进「一步在原子级分辨下获取了样品磁化方向的相对∩变化。在H型堆叠的CrBr3双层膜上,实验所※得铁磁磁滞回线呈方形,双层膜的自发磁化方向同向排列,在外磁场的作用影响下,双层整体在朝上和朝下间变化。结合显微镜磁性探针本身的磁化方向,展现出2个平台。而在R型堆叠的CrBr3双层膜上,实验却测量到★了4个平台。研究团队很快意识到此种回线形状对应于层间的反铁磁耦合:当外磁场小于±0.5T时,CrBr3双层膜层与层之间的磁化方╲向相反,形成了两个不同的▓层间反铁磁构型,对应了低磁场下①的2个平台。而当外磁场大于±0.5T时,CrBr3双层膜的磁化方向在外磁场的影响下强制都指向外磁场方向,与大磁场下的2个平∑台相对应。
至此,团队率先在原子级尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联,为理解三』卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。依据这○一特性,有望为新型二维自旋器件提供全新的研制思路,应用前景广阔。更小身材、更高效率的磁性传感器、非易失随机存●储器、自旋电子学器件,或均将成为现实。
技术前沿:自主研发实验设备实现精准测量调控
科学突破的取得∏,离不开实验技术的不断々攻坚克难。该项¤研究所用设备均为团队自主研发搭建,从而为实验的顺利进展奠定坚实基础。
为获取符合要求的实验材料,团队巧妙地◥引入化合物分子束外延生长技术,在真空环境中蒸发原材料并促其以薄膜形式逐☆层沉积至表面,实现原子级精准控制。
考虑到生长所得的双层膜的尺寸在10 nm数量级,远超一般磁学测量方法的空间分辨能力,研究团队使用独特的△自旋极化扫描隧◥道显微镜技术,利用显微镜探针与样品距离极度逼近所产生的量子隧穿电流,准确表征样品表面形貌、磁性等信息≡,可达结构和自旋的原子级分辨率。此技术№壁垒高、难度大,成果的达成非一▼日之功,高春雷团队已在此领域深耕15年之久,经不断积累和创新,终获此突破【。
据悉,高春雷和吴施伟为文章》的通讯作者,复旦大学物理学系博士后陈维炯为第一作者,华盛顿大学西雅图分校许晓栋教授为合作者。研究工作得到自然科学基金委、国家重点研发计划和国家基础研究计划等项目经费的支持。
H型和R型堆叠的CrBr3双层膜自旋极化扫描隧道显微镜↑测量
论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6468/983
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