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當二維材料的厚度降低至原子級幅度時可導致很多新奇物理現象的出現，使得二維材料成為當今凝聚態物理和材料科學的研究熱點。二維鐵磁體作為二維材料家族的重要組成部分，因其獨特的物理特性而備受關注。通常，隨著二維鐵磁體厚度的降低，其鐵磁有序居裡溫度TC也會降低，鮮有材料會隨著厚度的降低TC反而升高。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M08組龍有文研究員團隊和武漢大學物理科學與技術學院的何軍教授團隊合作，對不同厚度的Cr2Te3樣品進行了研究，發現其TC隨著材料厚度的降低而逐漸升高，直到厚度低於二維極限（~10 nm）時，TC由塊體的160 K急劇上升至室溫附近（約280 K），並通過理論計算揭示了這一反常現象的機理。 一直以來，根據Mermin-Wagner理論，由於熱擾動的影響，長程的鐵磁有序很難在二維材料中形成。但是，近期一系列二維層狀材料，比如Cr2Ge2Te6，CrI3以及VSe2等的長程鐵磁性被發現，掀起了層狀材料（層與層之間由範德瓦爾斯鍵連接）磁性研究的熱潮。然而到目前為止，對於非層狀鐵磁材料（原子之間由非範德瓦爾斯鍵連接）不斷變薄直至1個元胞左右厚度的磁性演化卻缺乏相關的研究。為探索二維非層狀材料的鐵磁行為，研究團隊生長出了不同厚度的Cr2Te3，並對其結構、電輸運、磁性以及反常霍爾效應等進行了詳細表徵。研究表明，當厚度大於12 nm時，材料展示了與塊體類似的鐵磁行為，其TC僅隨厚度降低略有升高。然而，當厚度降低至6個元胞厚度時（約7.1 nm），TC急劇上升至室溫附件，可高達280 K，展示了與其他鐵磁材料TC隨厚度變化截然相反的規律。進一步通過理論計算，團隊發現Cr2Te3鐵磁居裡溫度隨厚度的反常變化可能源於材料表面原子的重構，使得表面原子間距離變短，鐵磁相互作用增強，該結論進一步獲得了X光衍射結果的佐證。本工作率先發現了鐵磁居裡溫度隨厚度降低而急劇升高的反常現象，為深入研究二維材料特別是非層狀二維材料的新奇物理性質提供了範例。相關研究結果發表在近期的Nano. Lett. 上（20,3130,2020）。該工作獲得了科技部（2018YFE0103200，2018YFA0305700），國家自然科學基金委（11934017，51772324，11921004，11574378），中國科學院（QYZDB-SSW-SLH013，GJHZ1773）等項目的支持。
圖1：Cr2Te3具有三方晶體結構。
圖2：二維Cr2Te3具有鐵磁性，在280 K和180 K附近出現兩個磁轉變。
圖3：不同厚度Cr2Te3鐵磁居裡溫度Tc隨厚度的變化關係，低於二維極限（~10 nm）時，Tc急劇上升到室溫附件（約280 K）。
圖4：理論計算和XRD測試表明二維Cr2Te3表面原子可能會重構，使得表面原子間距離變短，從而導致Tc急劇升高。 編輯：他和貓
來源：新華號 中科院物理所