物理所等在二維原子晶體VTe

2020-12-19 中國科學院

　　近藤效應來源於非磁金屬中微量的磁性雜質散射。由於非磁性主體的傳導電子與磁性雜質的局域磁矩相互作用，電阻率在低溫下出現極小值。磁性雜質對電阻的貢獻與溫度成對數關係：Δρ = –clnT，其中T是溫度，c是取決於主體金屬及磁性雜質的種類和濃度的參數。當溫度低於特徵溫度——近藤溫度TK時，磁性雜質的自旋將被屏蔽，形成總自旋為零的多體單重態的基態，即Kondo單態。由於Kondo單態的非磁性散射，電阻率在溫度接近0K時趨於飽和。

　　近年來，少層二維原子晶體CrI3和Cr2Ge2Te6等本徵鐵磁性的發現激發了二維磁性材料的研究熱潮。理論預測單層釩基過渡金屬硫族化合物（TMD）VX2（X = S，Se，Te）為本徵鐵磁性材料，單層VSe2的室溫鐵磁性已在實驗上觀測到，然而，隨著層數的增加，VSe2中的鐵磁性迅速減弱，由於其塊體材料的順磁性，VSe2的本徵鐵磁性仍存在爭議。單層VSe2的磁性可能來源於缺陷或邊界態，而塊體VSe2的磁性可能來源於插層的釩離子。微量的插層釩離子由於存在未配對的3d電子而出現局域磁矩，從而引起近藤效應（Kondo effect）。 V5S8（或V0.25VS2）中大量的插層釩離子組成有序的晶格使其表現為反鐵磁序，而在V5S8納米片中，隨厚度減小，反鐵磁序受到抑制，出現弱的鐵磁性。如上所述，VX2中插層釩離子的未成對局域d電子會引起局域磁矩甚至磁有序。但是，VTe2是否存在本徵鐵磁性以及插層釩離子是否會形成局域磁矩國際上還鮮有報導，值得深入研究。

　　中國科學院院士、中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞帶領的研究團隊多年來一直致力於新型二維原子晶體材料的製備、物性調控及原型器件等方面的研究。在基於釩的過渡金屬硫族化合物VX2（X = S，Se，Te）的研究中取得一系列研究成果，包括單層VSe2的分子束外延可控制備[Sci. Bull. 63, 419 (2018)]及其一維圖案化、功能化[Nano Lett. 19, 4897 (2019)]，少層VSe2單晶絕緣襯底上的可控制備及弱反局域化量子輸運[Nano Lett. 19, 4551 (2019)]等。近期，該課題組博士後劉洪濤和副研究員鮑麗宏等利用化學氣相沉積（CVD）法成功製備了VTe2的單晶納米片，並對其低溫電子輸運特性進行了系統研究。

　　首先，他們採用升華鹽輔助的方法製備了1T相多層VTe2納米片，通過光學顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等對其進行了詳細的表徵（圖1，圖2），證實所製備的VTe2納米片為高質量的1T相單晶。低溫輸運測試結果表明VTe2納米片為金屬，沒有本徵的長程鐵磁序（圖3），只有與局域磁矩相關的近藤效應，具體表現為低溫電阻率極小值以及與磁場方向無關的負磁阻（圖3）。局域磁矩通過各向同性的s-d交換作用對傳導電子的散射導致電阻率極小值和低磁場下的負磁阻。Hamann方程很好地擬合了低溫電阻率的增加，不同溫度下的負磁阻可用S = 1/2的布裡淵函數進行擬合（圖4）。密度泛函理論（DFT）計算表明，局域磁矩主要來源於VTe2中的插層釩離子（圖5），碲空位與釩空位等缺陷對局域磁矩幾乎沒有貢獻。

　　該工作為單層VX2的製備與物性研究提供了一種思路，也會促進二維過渡金屬硫族化合物的磁性、強關聯和多體物理的研究。相關工作發表在Nano Letters 上（Nano Lett. 19, 8572-8580 (2019)）。劉洪濤和深圳大學博士薛運周為共同第一作者，鮑麗宏為通訊作者。該工作的合作者還包括中國科學院大學教授周武等。該工作獲得國家自然科學基金委（61674170, 61888102）、科技部（2016YFA0202300, 2018FYA0305800）和中科院（XDB30000000, XDB28000000, 20150005）的支持。

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　　圖1. 通過升華鹽輔助的常壓CVD法生長的VTe2納米片的形貌與結構表徵。（a）1T相VTe2的原子結構模型。（b）在雲母上生長的六邊形VTe2納米片的光學圖像。黑線為站立生長的VTe2納米片。（c）厚度為75.5 nm的VTe2納米片的AFM圖像和高度輪廓。（d）VTe2納米片的室溫XRD衍射譜。

　　圖2. 1T相VTe2納米片的透射電鏡（TEM）表徵。（a）VTe2納米片的低倍數TEM圖像以及（b）釩和（c）碲元素的EDS 能譜成像圖。（a）中插圖是納米片的選區電子衍射。（d）VTe2納米片的HAADF-STEM圖像及局部放大圖（e）。晶帶軸為<001>。Te原子較亮，V原子的對比度較弱。綠點和紅點分別對應於Te原子和V原子。（f）在EELS成像時獲取的HAADF-STEM圖像。（g）V L2,3 吸收邊EELS成像，（h）Te M4,5 吸收邊EELS成像，和（i）RGB彩色圖EELS圖像。紅色為V原子，綠色為Te原子。

　　圖3. VTe2納米片的低溫電輸運特性。（a）電阻率與溫度的關係。插圖為器件的光學圖像。（b）不同磁場下的低溫電阻率。溫度為對數坐標。實線為Kondo模型擬合曲線。（c，d）不同溫度下的磁阻。（c）中磁場垂直於樣品平面（橫向磁阻）。（d）中磁場平行於樣品平面（縱向磁阻）。（e）1.9 K下橫向與縱向磁阻對比。（f）20 K橫向與縱向磁阻對比。實線為常規磁阻擬合曲線：MR(％) = aH2 + b。

　　圖4. 低溫下的低場負磁阻特性。擬合參數S(T)（a）和 [S(T)]-1/2（b）與溫度的關係。（a）和（b）中的實線分別為溫度平方的倒數及線性擬合。(–Δρ/ρ0)1/2與H的關係圖（c）及其與H/T的關係圖（d）。（c，d）中的實線是布裡淵函數擬合曲線，（c）中S = 1/2。

圖5. 含插層釩離子的VTe2的原子結構（a）及投影態密度（b）。費米能級設為零。正、負態密度分別對應於自旋向上和自旋向下。

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