物理學院楊金波、葉堉課題組二維磁性材料研究方面取得系列進展

2020-11-24 北大新聞網

自2017年來，二維磁性在單層材料中的實現使得二維磁性材料得到了極大的關注。這些範德瓦爾斯磁體讓我們對二維極限下的磁性有了更進一步的了解，不同磁結構的範德瓦爾斯磁體使得實驗上探究二維下的磁學模型成為可能。比如，Ising鐵磁在單層CrI3中發現，而且XY模型的NiPS3在單層極限下磁性被抑制。除了這些，有著變磁行為的範德瓦爾斯磁體則甚至更有趣，比如在少層CrCl3中由於奇數層存在著的未補償磁矩，使得奇數層存在著spin-flop轉變，而偶數層則沒有。然而現存的二維磁性材料卻非常稀少，這些促使著對於新範德瓦爾斯磁體的發現，不僅僅是有助於對二維磁性的研究，更是對二維自旋電子學器件應用提供了材料基礎。

對此，楊金波課題組與葉堉課題組合作發現了一種新型的四元二維鐵磁半導體AgVP2Se6，為稀少的二維鐵磁家族增添了新的成員。AgVP2Se6的居裡溫度為18K，磁疇沿著面外c軸方向。通過機械剝離得到了最薄4層（2.9nm）的樣品，並研究了少層材料的磁性。對於較厚的樣品，磁滯回線表現為臺階狀。隨著厚度的降低，磁滯回線逐漸變方。測量的最薄樣品（6.7nm）在居裡溫度以下各溫度磁滯回線完全演變為方形，成為了一個硬磁材料。這一成果近期發表在了Advanced Functional Materials上，文章題為「A quaternary van der Waals ferromagnetic semiconductor AgVP2Se6」(DOI: 10.1002/adfm.201910036)。北京大學博士生彭宇軒為第一作者，通訊作者為北京大學葉堉研究員與楊文雲工程師。

少層AgVP2Se6的磁滯回線

同時，楊金波課題組生長了範德瓦爾斯反鐵磁CrPS4單晶和浙江大學的鄭毅課題組合作，通過一系列的磁性測量、磁轉矩和變場中子衍射實驗，研究了CrPS4的磁結構和變磁行為。課題組通過零場的中子衍射得到CrPS4是一個A型反鐵磁，即面內是鐵磁耦合而面間是反鐵磁耦合，而通過磁性測量發現低場的磁化強度突變類似於反鐵磁中的spin-flop轉變，而在8T左右磁化強度飽和意味著材料可能成為了一個類鐵磁態，緊接著通過磁轉矩的方式驗證了這一猜想。最後，課題組利用變場的中子衍射實驗，發現spin-flop轉變實際上是沿著c軸（面外）反鐵磁耦合的磁矩轉向了沿著b軸（面內）反鐵磁耦合併沿著磁場方向有一定傾斜。而隨著磁場進一步升高，磁矩完全轉到外磁場方向形成了一種類鐵磁態。這一成果近期發表在了Advanced Materials上，文章題為「Magnetic Structure and Metamagnetic Transitions in the van der Waals Antiferromagnet CrPS4」（DOI: 10.1002/adma.202001200）。北京大學博士生彭宇軒、丁石磊和浙江大學博士生程滿為共同第一作者，通訊作者為楊金波、楊文雲和浙江大學鄭毅研究員，相關合作者還有澳大利亞ANSTO中子衍射科學家Maxim Avdeev。

CrPS4在c軸磁場下磁結構的演變

另外，課題組利用第一性原理計算發現了二維多鐵材料CuCrP2S6（鐵磁和鐵電共存），並在實驗上實現了該材料的成功製備。鐵磁性起源於Cr原子，鐵電性起源於Cu離子，這是一個Type-II的多鐵材料。幸運的是這種材料當中還存在可能的谷自由度，並且谷自由度也是極化的，谷、自旋、電偶極子自由度通過自旋-軌道耦合相互耦合在一起，可以相互控制，基於此課題組提出了超級多鐵的的物理概念。課題組利用機械剝離獲得了CuCrPSe6 的納米片，並且確定了Cu具有一個電荷的正電荷，首次觀察在同一二維材料中發現了鐵磁和鐵電共存的信號。（Nanoscale: 11（12）: 5163-5170(2019)）。

以上研究得到了科技部重點專項、國家自然科學基金委、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室等的支持。

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