Figur visar van der Waals (vdW) heterostrukturen för G/FL-CrI3/Gr (G:grafen, FL:några lager, CrI3:krom(III)jodid, Gr:grafit) som används i scanning tunneling microscopy (STM) studien. (a) Den schematiska illustrationen och (b) den optiska bilden av experimentuppställningen. Provet består av enskiktsgrafen som täcker FL-CrI3-staplingen på grafitflinga (G/FL-CrI3/Gr). (c) Atomstrukturen för monolager CrI3 (vy ovanifrån). Bias-beroende STM-bilder av G/FL-CrI3/Gr visar (d) grafengitter - taget vid Vs=-0,3V och (e) CrI3-gitter - tagna vid Vs=2,5V med överlagrad atomstruktur av monolager CrI3 (I) atomer på det nedre atomplanet tas bort för tydlighetens skull). Kreditera: Naturkommunikation
NUS-forskare har visat ett allmänt tillvägagångssätt för att karakterisera atomstrukturen och de elektroniska och magnetiska egenskaperna hos tvådimensionella (2-D) magnetiska isolatorer med hjälp av scanning-tunneling mikroskopi.
Den senaste upptäckten av 2-D-magneter och utvecklingen av van der Waals (vdW) heterostrukturteknik erbjuder oöverträffade möjligheter inte bara att utforska magnetismens spännande fysik i reducerade dimensioner, men också att utveckla den nya generationens spintroniska enheter för kvantteknologiapplikationer. Ytterligare utveckling inom detta område involverar förståelsen på atomnivå av elektroniska och magnetiska egenskaper hos 2D-magneter och deras heterostrukturer. Tyvärr, den direkta tillämpningen av konventionella scanning tunneling microscopy (STM) tekniker för att lära sig mer om materialegenskaperna fungerar inte bra för 2-D magnetiska isolatorer. STM-avbildning förlitar sig på kvanttunneleffekten, varvid elektroner tunnelerar från den atomärt skarpa spetsen till de ledande proverna eller vice versa. Det kan inte användas för att studera isoleringsbulkmaterial eftersom det saknas en ledningsbana.
En NUS-forskargrupp ledd av professor Jiong Lu från Institutionen för kemi, NUS har visat tillämpningen av STM för att studera isolerande antiferromagnetisk krom(III)jodid (CrI) 3 ) kristaller genom att införliva dem med grafenbaserade vdW-heterostrukturer (se figur). Detta arbete är i samarbete med Prof Kostya S. Novoselov från Institutionen för materialvetenskap och teknik, NUS. Deras teknik utökar förmågan hos STM genom att göra det möjligt att studera isoleringsmaterial för att få insikter om den magnetiska ordningen i 2D-magneter.
Genom att täcka materialet som studeras med ett enda lager grafen, forskargruppen kan erhålla staplingsordningen och magnetisk mellanskiktskoppling av exfolierat CrI 3 som är några lager tjocka genom att använda STM-avbildning vid låga temperaturförhållanden. De identifierade också den magnetiska strukturen och visade att STM-avbildning kan skilja mellan de ferromagnetiska och antiferromagnetiska strukturerna hos CrI 3 (några lager tjocka). Detta beror på den speciella interaktionen mellan de magnetiska tillstånden och den överliggande grafenen.
Prof Lu sa, "Vårt tillvägagångssätt är generellt, och det representerar ett genombrott inom området för karakterisering av atomstrukturen i atomär skala, elektroniska och magnetiska egenskaper hos olika magnetiska isolatorer och deras vdW-heterostrukturer. Det kan underlätta utvecklingen av 2-D magnetiska isolatorer för nästa generations spintroniska enheter
