新加坡國立大學Andrew Wee, 黃玉立&香港理工大學楊明課題組Adv. Mater.：具有面外磁各向異性的室溫鐵磁單層碲化鉻

背景介紹

二維磁體，即單層或少數層磁性材料能夠在非零溫度下自發產生自旋極化，呈現出本征長程磁序，在信息存儲、磁學電子學，量子計算等領域具有巨大的應用價值，近年來已成為國內外材料物理領域新的研究熱點。2017年,?原子級單層鐵磁性薄膜CrI₃和CrGeTe₃的發現更是引起了很多研究者的興趣。之前唯象理論（Mermin–Wagner理論）預測在二維材料中無法存在穩定的長程有序磁性，但后續研究表明二維材料的磁各向異性是二維長程磁序存在的關鍵，它可以通過對自旋波譜打開能隙來有效對抗熱擾動，從而在一定的居里溫度下穩定了磁性。然而目前已報道的二維磁性材料普遍具有較低的磁性轉變溫度，只有極少數二維鐵磁性材料的居里溫度在室溫以上，難以實現其廣泛應用。另外，發展與目前半導體工藝可匹配的二維磁性材料的大規模生長技術仍充滿著挑戰。

成果簡介

基于此，新加坡國立大學物理系的Andrew Wee教授, 新加坡國立大學與天津大學聯合學院的黃玉立副教授和香港理工大學應用物理系楊明助理教授等聯合報導了室溫下穩定的二維碲化鉻Cr₃Te₄磁性單層。利用分子束外延（MBE）生長，該研究團隊通過控制基底（石墨）的溫度來調控二維碲化鉻的生長模式，實現了從單層到多層、從二維到三維的可控生長。多種磁性表征手段如X射線磁圓二色性 (XMCD)和磁力顯微鏡(MFM)證實單層碲化鉻具有面外的磁各向異性和高達約344 K的居里溫度（高于室溫），而較厚樣品薄膜 (≈7 nm) 的居里溫度為約240 K和面內的易磁化軸。通過結合密度泛函理論 (DFT) 計算和蒙特卡洛模擬，該團隊解釋了二維碲化鉻中隨厚度變化的磁性性質來源于碲化鉻/石墨界面間不同的軌道耦合強度。該工作以“Room Temperature Ferromagnetism of Monolayer Chromium Telluride with Perpendicular Magnetic Anisotropy”為題發表在國際著名材料學期刊《Advanced Materials》上，其中Rebekah Chua博士是論文的第一作者，Andrew Wee教授,黃玉立副教授和楊明助理教授是論文的通訊作者。

小結

該工作報導了新型非層狀室溫鐵磁二維材料的大規模生長，展示了通過調控基底溫度對二維材料生長的有效調控,所采用的低溫生長模式可與目前主流硅基半導體技術兼容，開辟了二維自旋電子器件與硅基電子器件相集成的新機遇。

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202103360

圖文解析

圖1：體相和單層Cr₃Te₄的晶體結構。

圖2：在不同基底溫度下生長的Cr₃Te₄樣品。

圖3：單層和較厚Cr₃Te₄樣品的晶體結構和電學性質的對比。

圖4： 單層和較厚Cr₃Te₄樣品的磁性對比。

圖5： 單層Cr₃Te₄的原子力顯微鏡和磁力顯微鏡測量結果。

圖6： 單層Cr₃Te₄/石墨烯異質結的DFT模擬結果。

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