二維CrI3晶體的磁性測量與調控*

張頌歌 陳雨彤 王寧 柴揚 龍根 張廣宇

1) (松山湖材料實驗室, 東莞 523808)

2) (香港理工大學紡織及制衣學系, 香港 999077)

3) (香港理工大學應用物理學系, 香港 999077)

4) (香港科技大學物理系, 香港 999077)

5) (中國科學院物理研究所, 北京凝聚態物理國家研究中心, 中國科學院大學物理科學學院, 北京 100190)

1 引 言

2004年, Novoselov等[1]用機械剝離法從石墨片上剝離出單層石墨烯, 引發了人們對二維材料研究的熱潮.二維材料是指當材料在某個方向上的尺寸減小到原子級尺度時, 電子只能在由另外兩個方向決定的平面上運動的材料.除石墨烯外, 其他二維材料也已經大量進入人們視線, 如二硫化鉬(MoS2)[2-5]、二硒化鎢 (WSe2)[6,7]、黑磷 (BP)[8,9]、六方氮化硼 (h-BN)[10,11], 這些材料覆蓋了從導體到半導體, 再到絕緣體等材料種類, 在新型光電子和電子器件研制方面發揮了巨大作用[12-15].

然而, 二維磁性材料一直缺席于二維材料家族.根據Mermin-Wagner原理, 在各向同性的短程交換相互作用的二維系統中, 不存在非絕對零度下的長程序[16].這是二維系統中的熱漲落使得對稱性破缺的有序態不可持續造成的.如果通過引入磁各向異性打破低能量模式, 就可以通過穩定的二維長程關聯建立磁序[17].2017年加州大學伯克利分校Zhang研究團隊在《Nature》上報道了少層Cr2Ge2Te6的本征鐵磁性[18], 并可以通過施加極小的磁場(小于0.3 T)調整該材料的磁性, 使之在鐵磁和順磁之間轉換.與此同時, 華盛頓大學Xu研究團隊在《Nature》上報道了單層CrI3內觀察到的長程磁有序[19], 引發了對單層磁性材料輸運性……