Materiaalwetenschappers proberen de kristalstructuur van een vaste stof te beheersen - in een krachtige benadering om hun fundamentele eigenschappen te manipuleren. Onderzoekers kunnen deze controle in van der Waals (vDW)-materialen bereiken door de stapelvolgorde te wijzigen door middel van rotatie en translatie tussen de vDW-lagen. In een recente studie gepubliceerd in Wetenschap , Weijong Chen en een onderzoeksteam in de interdisciplinaire afdelingen natuurkunde, geavanceerde materialen, nano-elektronica en kwantumcomputers, en materiaalwetenschap en techniek in China en de VS waargenomen stapelingsafhankelijk tussenlaagmagnetisme in het tweedimensionale magnetische halfgeleiderchroomtribromide (CrBr ₃ ).

Ze bereikten dit door de succesvolle groei van een monolaag en dubbellaag van het materiaal met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE). De onderzoekers gebruikten in situ spin-polaire scanning tunneling microscopie en spectroscopie om de atomaire roosterstructuur direct te correleren met de waargenomen magnetische orde. Ze observeerden de individuele monolaag van CrBr ₃ ferromagnetisch zijn, maar de tussenlaagkoppeling in de dubbellaag hing af van de stapelvolgorde om ofwel ferromagnetisch of antiferromagnetisch te zijn. Waarnemingen die in het werk zijn gedaan, zullen de weg vrijmaken voor het manipuleren van 2D-magnetisme met laagdraaihoekregeling.

Het begrijpen van het type van der Waals (vdW)-stapeling is van cruciaal belang om de eigenschappen van gelaagde vdW-materialen te bepalen. Zwakke vdW-interacties tussen de lagen kunnen wetenschappers in staat stellen de rotatie- en translationele vrijheidsgraden tussen lagen te regelen om een ​​groot aantal nieuwe materialen te creëren met duidelijke stapelsymmetrieën en -functionaliteiten. Terwijl eerder werk zich richtte op de elektronische en optische eigenschappen van vdW-stapeling, wetenschappers hebben recente ontdekkingen gedaan van magnetisme in tweedimensionale materialen met behulp van mechanische exfoliatie en moleculaire epitaxietechnieken. Onder de nieuw ontdekte 2D magnetische materialen, de familie van chroomtrihalogenide CrX ₃ (waar X chloor kan zijn, broom of jodium) hebben veel aandacht gekregen. Dergelijke magnetische structuren kunnen leiden tot een aantal opkomende verschijnselen, waaronder gigantische tunnelmagnetoweerstand, elektrische controle van 2-D magnetisme en gigantische niet-wederkerige optische tweede-harmonische generatie.

In tegenstelling tot chroomtrijodide (CrI ₃ ), onderzoekers vonden de tussenlaagkoppeling in atomair dun chroomtribromide (CrBr ₃ ) ferromagnetisch zijn. In het huidige werk, Chen et al. daarom gebruikt in situ spin-gepolariseerde scanning tunneling microscopie en spectroscopie om een ​​directe correlatie tussen de tussenlaag magnetische koppeling en stapelen structuren in CrBr vast te stellen ₃ . Het team groeide aanvankelijk CrBr ₃ films op vers gespleten, sterk georiënteerd pyrolytisch grafiet (HOPG) substraten met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE). Ze bewaakten het monsteroppervlak tijdens de groei in situ met reflectie-hoge-energetische elektronendiffractie (RHEED). De streepachtige RHEED-patronen bevestigden een 2-D kristallijne monolaag dunne film van CrBr _3, die Chen et al. geverifieerd met behulp van scanning tunneling microscopie.

Bij verdere afzetting, de materiaalwetenschappers maakten dubbellaagse CrBr . mogelijk ₃ eilanden te vormen als periodiek uit elkaar geplaatste driehoekige clusters. De kristalstructuur van de CrBr ₃ molecuul bevatte Cr-atomen gerangschikt in een honingraatrooster, omgeven door een octaëder van zes Br-atomen. Ze bepaalden de dikte van de monolaag op 6,5 Angstrom (Å) met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM). Zowel grootschalige topografie (oppervlaktegeometrie) als atomair opgeloste STM-afbeeldingen toonden hoogwaardige groei van de CrBr ₃ monolaag films. Het team mat magnetische eigenschappen van de dunne film met behulp van spin-gepolariseerde STM-metingen en bevestigde bovendien het bestaan ​​van ferromagnetisme. Voor deze, Chen et al. een reeks tunnelingspectra (dI/dV) gemeten door het magnetische veld heen en weer te zwaaien. De waarneming suggereerde dat epitaxiale CrBr ₃ monolagen gegroeid op HOPG (sterk georiënteerd pyrolytisch grafiet) behielden de ferromagnetische eigenschappen van halfgeleiders. Na bevestiging van de atomaire structuur en het ferromagnetisme van monolaag CrBr _3, Chen et al. gericht op de CrBr ₃ dubbellaags.

In de door MBE gegroeide dubbellagen, de wetenschappers observeerden H- en R-type stapelstructuren, waarbij het R-type beide lagen in dezelfde richting op één lijn hield, terwijl het H-type 180 graden rotatie tussen de dubbellagen toestond. De structurele uitlijningen gaven aanleiding tot een duidelijke magnetische koppeling tussen de lagen. Bijvoorbeeld, in H-type gestapelde dubbellaag CrBr ₃ , de tussenlaagkoppeling was ferromagnetisch. Terwijl de gestapelde dubbellaag van het R-type antiferromagnetisch gekoppeld gedrag vertoonde in zijn grondtoestanden, wat aanleiding gaf tot twee extra configuraties van magnetisatie. Bij verder onderzoek van tussenlaagkoppeling, de wetenschappers observeerden het gedrag met twee plateaus om de door een magnetisch veld aangedreven overgang van antiferromagnetisch naar ferromagnetisch karakter aan te tonen.

Op deze manier, de wetenschappers toonden duidelijk tussenlaagmagnetisme van de MBE-gegroeide dubbellaag CrBr ₃ van antiferromagnetische koppeling in R-type stapelen tot ferromagnetische koppeling in H-type stapelen om de brede afstembaarheid van magnetisme over de stapelvolgorde van 2D-materialen aan te geven. Chen et al. gecrediteerd de tussenlaag koppeling in dubbellaagse CrBr ₃ superuitwisselingsinteractie gecontroleerd door directionele hybridisatie tussen p-orbitalen van broom (Br) en d-orbitalen van chroom (Cr). Omdat de bindingshoeken en bindingsafstand van het Cr-Br-Br-Cr-uitwisselingspad sterk afhing van de stapelvolgorde, ze verwachten dat het magnetisme tussen de lagen afhangt van de afstand tussen de lagen en de positie van de atomaire plaats ten opzichte van de specifieke stapelstructuur.

Hoewel de exacte groeimechanismen nog moeten worden onderzocht, Chen et al. illustreerde het belang van polytypisme (polymorfisme of variëteit) in vDW-materialen en de rol ervan in 2-D-magnetisme. Het nieuwe werk roept op om stapelstructuren in mechanisch geëxfolieerde CrX . nauwkeurig te onderzoeken ₃ monsters om de duidelijk waargenomen eigenschappen van magnetische tussenlaagkoppeling te begrijpen. De onderzoekers verwachten dat het werkprincipe 2-D-magnetisme manipuleert door unieke ruimtelijk afhankelijke spintexturen te ontwerpen voor een verscheidenheid aan toepassingen met vDW-materialen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk