Figur 1. Atomstrukturen och transportegenskaperna hos PtSe 2 flingor. (a) Atomupplösning högvinklad ringformig mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) bild av ett fålagers PtSe 2 flake som visar dess 1T-fasfunktion och A–A-staplingskonfiguration. (b) Longitudinell resistans på s3 som en funktion av temperaturen i logaritmen från 200 K till 2 K. (c) Isotropisk NMR när magnetfältet appliceras i ab-planet av PtSe 2 flinga s3. Infällt visar det schematiska diagrammet över magnetotransportmätningar. θ betecknar vinkeln mellan magnetfält och ström. (d) MR vid olika temperaturer när magnetfältet är vinkelrät mot strömmen i s3. Kredit:Peking University
Framväxten av tvådimensionella (2D) material ger en utmärkt plattform för att utforska och modulera exotiska fysiska egenskaper i 2D-gränsen, och har drivit utvecklingen av modern kondenserad materiens fysik och nanoelektroniska enheter. Bland olika exotiska fysiska egenskaper, 2-D magnetism är ett av de viktigaste ämnena, som visar potentiell tillämpning inom spintronik. På senare år har forskare har upptäckt en serie inbyggda 2-D magnetiska material, såsom CrI 3 , Fe 3 GeTe 2 , etc. Emellertid, de flesta av de ännu upptäckta 2-D magnetiska materialen är instabila i atmosfären, vilket begränsar vidare undersökning och tillämpning av 2-D magnetism. Därför, nyckelfrågan är hur man inducerar magnetism i luftstabila 2D-material.
Nyligen, Professor Wang Jian vid Peking University, i samarbete med professor Duan Wenhui vid Tsinghua University, och professor Zhang Yanfeng vid Pekings universitet, detekterade lokala magnetiska moment inducerade av Pt-vakanser i övergångsmetalldikalkogenid PtSe 2 flingor, och avslöjade ursprunget och flingtjockleksberoendet för de lokaliserade magnetiska momenten. Uppsatsen med titeln "Magnetic Moments Induced by Atomic Vacancies in Transition Metal Dichalcogenide Flakes" publicerades online i Avancerade material . Professor Wang vid Peking University, Professor Duan vid Tsinghua University och professor Zhang vid Peking University är motsvarande författare till denna artikel. Ge juni, Luo Tianchuang vid Peking University, Lin Zuzhang vid Tsinghua University, och Shi Jianping vid Wuhan University bidrog lika mycket till detta arbete (gemensamma förstaförfattare).
PtSe 2 Flingor med tjocklekar på 8-70 nm odlades genom kemisk ångavsättning (CVD), och deras höga kristallina kvalitet bekräftades genom transmissionselektronmikroskopi och elektrondiffraktion med vald area. Forskarna tillverkade vidare PtSe 2 anordningar av olika tjocklek och studerade deras elektriska transportegenskaper. Det longitudinella motståndet minskar med minskningen av temperaturen i högtemperaturregim, vilket är typiskt metalliskt beteende. Intressant, vid ytterligare sänkning av temperaturen, det longitudinella motståndet ökar logaritmiskt och tenderar sedan att mättas vid ultralåga temperaturer.
Figur 2. Teoretisk tolkning för det lokala magnetiska momentet i PtSe 2 flingor. (a) En illustration av de lokala magnetiska momenten (betecknade med röda pilar) och en Pt-vakansdefekt (den blå cirkeln) placerade i det översta lagret. (b) Elektronisk täthet av tillstånden för p-orbitalerna för de tre angränsande selenatomerna i Pt-vakansen. (c) Energin för olika magnetiska konfigurationer (märkt med vinkeln β mellan den magnetiska momentriktningen och z-axeln), där energin noll motsvarar den magnetiska konfigurationen med magnetiskt moment utanför planet (dvs. p =0). Kredit:Peking University
Vid låga temperaturer, isotropisk negativ magnetoresistans (NMR) detekteras när ett magnetfält i planet appliceras. Ytterligare analys visar att den logaritmiska ökningen av den longitudinella resistansen med minskningen av temperaturen och den isotropa NMR härrör från Kondo-effekten. Den välkända Kondo-effekten uppstår vanligtvis i en icke-magnetisk metall dopad med magnetiska föroreningar, som ett resultat av utbytesinteraktionen mellan spinn av ledningselektroner från icke-magnetiska värdar och magnetiska föroreningar. Dock, karakteriseringsresultaten har visat att det inte finns några magnetiska element i PtSe 2 flingor.
Ursprunget till de lokala magnetiska momenten i PtSe 2 flingor avslöjas genom teoretiska beräkningar. Pt-vakansdefekterna är oundvikliga att uppstå under tillväxten av PtSe 2 flingor. Pt-vakanserna resulterar i en asymmetrisk fördelning av de ockuperade spinmajoritets- och minoritetstillstånden för p-orbitalerna för de tre angränsande selenatomerna, slutligen ger upphov till de lokala magnetiska momenten. Förvånande, de observerade magnetiska momenten verkar vara tjockleksberoende. När du minskar tjockleken på flingor, det lokala magnetiska momentet blir större. Teoretiskt sett, det lokala magnetiska momentet i provet är huvudsakligen bidraget av Pt-vakanserna på provytan. Med minskande tjocklek på PtSe 2 flaga, förhållandet mellan yta och bulk ökar, leder till en ökning av den relativa andelen ytvakanser. Som ett resultat, det genomsnittliga magnetiska momentet som induceras per defekt ökar med den minskande tjockleken, vilket stämmer överens med de experimentella observationerna. Detta arbete ger en ny väg för modulering av magnetism på atomär skala i icke-magnetiska 2D-material, speciellt i luftstabila 2D-material, och har potentiell betydelse i utvecklingen av spintronik och kvantinformation.
