Molecular beam epitaxi (MBE) Tillväxt av CrBr3 monolager och dubbellager på HOPG (högt orienterad pyrolytisk grafit). (A och B) RHEED-mönster (reflekterande högenergielektrondiffraktion) med indikerade diffraktionsordningar av (A) det nakna HOPG-substratet och (B) den MBE-odlade CrBr3-filmen. (C och D) STM-bilder (Scanning Tunneling Microscopy) av (C) CrBr3-monoskiktet med (D) tvåskiktsöar. Avsökningsparametrarna var följande:Vb =1,1 V, I =100 pA, T =5 K för (C) och Vb =1,5 V, I =100 pA, T =5 K för (D). (E) Atomiskt upplöst bild av ett monolager CrBr3 med en överlagd atomstruktur. Avsökningsparametrarna var följande:Vb =1,5 V, I =500 pA, T =5 K. Gitterkonstanterna bestämdes till 6,3 Ǻ för de primitiva vektorerna a och b, överensstämmer med bulkvärdena. (F) Illustrationer av ovan- och sidovyerna av monolager CrBr3-atomstrukturen. Cr-atomerna bildar ett bikakegitter inklämt av Br-atomer. Inom Cr bikakegaller, de övre och nedre ytorna av Br-atomer bildar enkla trianglar men med motsatt orientering, indikeras med heldragna och prickade gröna linjer, respektive. (G) AFM-bild av monolager CrBr3 med partiell täckning. En linjeskuren profil över monoskiktet och nakna substrat visas med en monolagerhöjd på ~6,5 Ǻ. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1937
Materialforskare strävar efter att kontrollera kristallstrukturen hos ett fast ämne - på ett kraftfullt sätt att manipulera deras grundläggande egenskaper. Forskare kan uppnå denna kontroll i van der Waals (vDW) material genom att modifiera staplingsordningen genom rotation och translation mellan vDW-lagren. I en nyligen publicerad studie publicerad i Vetenskap , Weijong Chen och ett forskarteam på de tvärvetenskapliga avdelningarna för fysik, avancerade material, nanoelektronikenheter och kvantberäkningar, och materialvetenskap och ingenjörskonst i Kina och USA observerade staplingsberoende mellanskiktsmagnetism i den tvådimensionella magnetiska halvledaren kromtribromid (CrBr 3 ).
De uppnådde detta genom framgångsrik tillväxt av ett monolager och dubbellager av materialet med hjälp av molekylär strålepitaxi (MBE). Forskarna använde in situ spin-polär scanning tunnelmikroskopi och spektroskopi för att direkt korrelera den atomära gitterstrukturen med den observerade magnetiska ordningen. De observerade det individuella monoskiktet av CrBr 3 att vara ferromagnetisk men mellanskiktskopplingen i dubbelskiktet berodde på staplingsordningen för att antingen vara ferromagnetisk eller antiferromagnetisk. Observationer som gjorts i arbetet kommer att bana väg för att manipulera 2-D magnetism med lager vridningsvinkelkontroll.
Att förstå typen av van der Waals (vdW) stapling är avgörande för att bestämma egenskaperna hos skiktade vdW-material. Svaga vdW-interaktioner mellan lagren kan tillåta forskare att kontrollera rotations- och translationsgrader av frihet mellan lagren för att skapa en mängd nya material med distinkta staplingssymmetrier och funktioner. Medan tidigare arbete fokuserade på de elektroniska och optiska egenskaperna hos vdW-stapling, Forskare har nyligen gjort upptäckter av magnetism i tvådimensionella material med hjälp av mekanisk exfoliering och molekylära epitaxitekniker. Bland de nyupptäckta 2-D magnetiska materialen, familjen av kromtrihalid CrX 3 (där X kan vara klor, brom eller jod) har fått stor uppmärksamhet. Sådana magnetiska strukturer kan leda till ett antal framväxande fenomen inklusive gigantisk tunnelmagnetoresistans, elektrisk styrning av 2-D magnetism och gigantisk icke-reciprok optisk andraharmonisk generation.
Spin-polariserad tunnling av monolager CrBr3. (A) Spin-polariserade tunnelspektra under positiva och negativa magnetfält utanför planet (±0,3 T). Insättningen illustrerar den experimentella geometrin. Magnetiseringen vid spetsspetsen antas vara spin up (B) dI/dV-signal som en funktion av magnetfältet. Vb fixerades till 1,4 V. Magnetfältet utanför planet sveptes uppåt (svarta data) och nedåt (röda data). Den ferromagnetiska hysteresloopen är skisserad som rektangulära heldragna linjer. Insättningar skissar de två konfigurationerna av magnetiseringsinriktningen mellan Cr-spetsen och monolager-CrBr3-filmen. Magnetiseringens in-plane komponent vid Cr-spetsens spets, om någon, bidrar inte till den magnetiska kontrasten i dI/dV. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1937
I motsats till kromtrijodid (CrI 3 ), forskare fann mellanskiktskopplingen i atomärt tunn kromtribromid (CrBr 3 ) att vara ferromagnetisk. I detta arbete, Chen et al. användes därför in situ spin-polariserad scanning tunneling mikroskopi och spektroskopi för att etablera en direkt korrelation mellan mellanskiktets magnetiska koppling och staplingsstrukturer i CrBr 3 . Teamet växte initialt CrBr 3 filmer på nyklyvd, mycket orienterad pyrolytisk grafit (HOPG) substrat med användning av molekylär strålepitaxi (MBE). De övervakade provytan under tillväxt in situ med reflekterande högenergielektrondiffraktion (RHEED). De randliknande RHEED-mönstren bekräftade en 2-D kristallin monolagerfilm av CrBr 3, vilket Chen et al. verifierad med scanning tunnelmikroskopi.
Vid ytterligare avsättning, materialforskarna möjliggjorde dubbelskikts CrBr 3 öar för att bilda som periodiskt åtskilda triangulära kluster. Kristallstrukturen hos CrBr 3 molekylen innehöll Cr-atomer ordnade i ett bikakenät, omgiven av en oktaeder med sex Br-atomer. De bestämde tjockleken på monoskiktet till 6,5 Ångström (Å) med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM). Både storskalig topografi (ytgeometri) och atomiskt upplösta STM-bilder visade högkvalitativ tillväxt av CrBr 3 enskiktsfilmer. Teamet mätte magnetiska egenskaper hos den tunna filmen med hjälp av spin-polariserade STM-mätningar och bekräftade dessutom förekomsten av ferromagnetism. För detta, Chen et al. mätte en serie tunnelspektra (dI/dV) genom att svepa magnetfältet fram och tillbaka. Observationen antydde att epitaxiell CrBr 3 monolager odlade på HOPG (högt orienterad pyrolytisk grafit) bibehöll halvledarferromagnetiska egenskaper. Efter att ha bekräftat atomstrukturen och ferromagnetismen hos monolager CrBr 3, Chen et al. fokuserat på CrBr 3 dubbelskikt.
Mellanskikts ferromagnetisk koppling i ett staplat dubbelskikt av H-typ CrBr3. (A) STM-bild av en CrBr3-film med både en monolager (1L) region och en tvålagers (2L) ö. (B och C) Förstorad, atomiskt upplösta bilder av (B) dubbelskiktsregionen och (C) dess förlängda bottenmonoskikt vid Vb =1,9 V, indikerar att de övre och nedre lagren i dubbelskiktet är anti-inriktade, eller roteras 180° (stapling av H-typ). (D) Atomstruktur av dubbelskiktet CrBr3, bestämt från atomiskt upplösta STM-bilder. Enhetscellerna i de övre och nedre lagren representeras av magenta och gröna solida trianglar, respektive, motsvarande den övre ytan av Br-atomer i varje enskiktsark. Dessa magenta och gröna solida trianglar är också överlagrade på mono- och dubbelskiktet i (A). Enhetscellen för det översta lagret (magenta) är en translation med 0,55a + 0,20b av det undre lagret (grönt). För jämförelse med strukturerna i tabell S2, staplingsstrukturen visas också med bottenytan av Br-atomer på varje enskiktsark som prickade trianglar och Cr-atomerna som solida hexagoner. (E) Spin-polariserad tunnling på dubbelskiktet CrBr3 som en funktion av magnetfältet med en Cr-spets vid Vb =1,5 V. Magnetfältet utanför planet sveptes uppåt (svarta data) och nedåt (röda data). Liksom monoskiktet CrBr3, en rektangulär ferromagnetisk hysteresloop observerades med ett koercitivfält på ~45 mT. Insättningar visar två konfigurationer av magnetiseringsinriktningen mellan spetsen och provet. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1937
I de MBE-odlade dubbelskikten, forskarna observerade staplingsstrukturer av H- och R-typ, där R-typen bibehöll båda skikten inriktade i samma orientering medan H-typen tillät 180-graders rotation mellan dubbelskikten. De strukturella inriktningarna gav upphov till distinkt mellanskiktsmagnetisk koppling. Till exempel, i H-typ staplade dubbelskikts CrBr 3 , mellanskiktskopplingen var ferromagnetisk. Medan det staplade dubbelskiktet av R-typ visade antiferromagnetiskt kopplat beteende i sina grundtillstånd, vilket gav upphov till två ytterligare magnetiseringskonfigurationer. Vid ytterligare undersökning av mellanskiktskoppling, forskarna observerade beteendet på två platåer för att demonstrera magnetfältsdriven övergång från antiferromagnetisk till ferromagnetisk karaktär.
På det här sättet, forskarna visade distinkt mellanskiktsmagnetism av det MBE-odlade dubbelskiktet CrBr 3 från antiferromagnetisk koppling i R-typ stapling till ferromagnetisk koppling i H-typ stapling för att indikera den breda avstämningsförmågan hos magnetism över staplingsordningarna för 2-D-material. Chen et al. krediterade mellanskiktskopplingen i dubbelskikts CrBr 3 att superutbytesinteraktion kontrollerad av riktad hybridisering mellan p-orbitaler av brom (Br) och d-orbitaler av krom (Cr). Eftersom bindningsvinklarna och bindningsavståndet för Cr-Br-Br-Cr-utbytesvägen starkt berodde på staplingsordningen, de förväntar sig att mellanskiktsmagnetismen beror på mellanskiktsavståndet och atomplatsens position i förhållande till den specifika staplingsstrukturen.
Antiferromagnetisk mellanskiktskoppling i ett staplat dubbelskikt av R-typ CrBr3. (A) STM-bild av en CrBr3-film med både en monolager (1L) region och en tvålagers (2L) ö. (B och C) Atomiskt upplösta bilder av (B) monoskiktet och (C) dubbelskiktet. Vb =1,9 V. Staplingskonfigurationen i dubbelskiktet identifieras som R-typ, dvs. de övre och nedre lagren är i samma orientering. (D) Atomstruktur av dubbelskiktet CrBr3, bestämt från atomiskt upplösta STM-bilder. Enhetscellen i det översta lagret (magenta) översätts med 0,48a + 0,48b från det undre lagret (grönt). (E) Spin-polariserad tunnling på ett staplat dubbellager CrBr3 av R-typ med en Cr-spets vid Vb =1,5 V. Insättningarna visar fyra magnetiseringskonfigurationer, inklusive Cr-spetsen och dubbelskiktet CrBr3, motsvarande olika magnetfältsberoende dI/dV-platåer. Magnetfältet utanför planet sveptes uppåt (svarta data) och nedåt (röda data). (F) Spinnberoende tunnling på dubbelskiktet CrBr3 i (C) med en omagnetisk W-spets vid Vb =1,5 V. Abrupt minskning av dI/dV-signalen observerades vid magnetfält på ~±0,5 T, föreslår en antiferromagnetisk mellanskiktskoppling inom ±0,5 T. Kredit:Science, doi:10.1126/science.aav1937.
Även om de exakta tillväxtmekanismerna återstår att undersöka, Chen et al. illustrerat betydelsen av polytypism (polymorfism eller variation) i vDW-material och dess roll i 2-D magnetism. Det nya arbetet kräver att noggrant undersöka staplingsstrukturer i mekaniskt exfolierade CrX 3 prover för att förstå de distinkt observerade egenskaperna hos magnetisk koppling mellan skikt. Forskarna förväntar sig att arbetsprincipen ska manipulera 2D-magnetism genom att konstruera unika rumsberoende spinntexturer för en mängd olika applikationer med vDW-material.
© 2019 Science X Network
