NUS-wetenschappers hebben een algemene benadering aangetoond voor het karakteriseren van de atomaire structuur en elektronische en magnetische eigenschappen van tweedimensionale (2-D) magnetische isolatoren met behulp van scanning-tunneling microscopie.

De recente ontdekking van 2D-magneten en de ontwikkeling van van der Waals (vdW) heterostructuurtechniek bieden ongekende mogelijkheden om niet alleen de opwindende fysica van magnetisme in kleinere afmetingen te onderzoeken, maar ook om spintronische apparaten van de nieuwe generatie te ontwikkelen voor toepassingen in kwantumtechnologie. Verdere ontwikkelingen op dit gebied hebben betrekking op het begrip op atomair niveau van elektronische en magnetische eigenschappen van 2D-magneten en hun heterostructuren. Helaas, de directe toepassing van conventionele scanning tunneling microscopie (STM) technieken om meer te weten te komen over de materiaaleigenschappen werkt niet goed voor 2D magnetische isolatoren. STM-beeldvorming is gebaseerd op het kwantumtunneleffect, waarbij elektronen tunnelen van de atomair scherpe punt naar de geleidende monsters of vice versa. Het kan niet worden toegepast om isolerende bulkmaterialen te bestuderen, omdat er geen geleidend pad is.

Een NUS-onderzoeksteam onder leiding van Prof Jiong Lu van de afdeling Chemie, NUS heeft de toepassing van STM aangetoond om isolerend antiferromagnetisch chroom (III) jodide (CrI) te bestuderen ₃ ) kristallen door ze op te nemen met op grafeen gebaseerde vdW-heterostructuren (zie figuur). Dit werk is in samenwerking met Prof Kostya S. Novoselov van de afdeling Materials Science and Engineering, NUS. Hun techniek breidt het vermogen van STM uit door het in staat te stellen isolatiematerialen te bestuderen om inzicht te krijgen in de magnetische ordening in 2D-magneten.

Door het bestudeerde materiaal af te dekken met een enkele laag grafeen, het onderzoeksteam is in staat om de stapelvolgorde en de magnetische koppeling tussen de lagen van geëxfolieerde CrI . te verkrijgen ₃ dat is een paar lagen dik door STM-beeldvorming te gebruiken bij lage temperatuuromstandigheden. Ze identificeerden ook de magnetische structuur en toonden aan dat STM-beeldvorming onderscheid kan maken tussen de ferromagnetische en antiferromagnetische structuren van CrI ₃ (enkele lagen dik). Dit komt door de eigenaardige interactie van de magnetische toestanden met het overliggende grafeen.

Prof Lu zei, "Onze aanpak is algemeen van aard, en het betekent een doorbraak op het gebied van karakterisering op atomaire schaal van de atomaire structuur, elektronische en magnetische eigenschappen van verschillende magnetische isolatoren en hun vdW-heterostructuren. Het kan de ontwikkeling van 2D magnetische isolatoren voor spintronische apparaten van de volgende generatie vergemakkelijken