新加坡国立大学Andrew Wee, 黄玉立&香港理工大学杨明课题组Adv. Mater.：具有面外磁各向异性的室温铁磁单层碲化铬

背景介绍

二维磁体，即单层或少数层磁性材料能够在非零温度下自发产生自旋极化，呈现出本征长程磁序，在信息存储、磁学电子学，量子计算等领域具有巨大的应用价值，近年来已成为国内外材料物理领域新的研究热点。2017年, 原子级单层铁磁性薄膜CrI₃和CrGeTe₃的发现更是引起了很多研究者的兴趣。之前唯象理论（Mermin–Wagner理论）预测在二维材料中无法存在稳定的长程有序磁性，但后续研究表明二维材料的磁各向异性是二维长程磁序存在的关键，它可以通过对自旋波谱打开能隙来有效对抗热扰动，从而在一定的居里温度下稳定了磁性。然而目前已报道的二维磁性材料普遍具有较低的磁性转变温度，只有极少数二维铁磁性材料的居里温度在室温以上，难以实现其广泛应用。另外，发展与目前半导体工艺可匹配的二维磁性材料的大规模生长技术仍充满着挑战。

成果简介

基于此，新加坡国立大学物理系的Andrew Wee教授, 新加坡国立大学与天津大学联合学院的黄玉立副教授和香港理工大学应用物理系杨明助理教授等联合报导了室温下稳定的二维碲化铬Cr₃Te₄磁性单层。利用分子束外延（MBE）生长，该研究团队通过控制基底（石墨）的温度来调控二维碲化铬的生长模式，实现了从单层到多层、从二维到三维的可控生长。多种磁性表征手段如X射线磁圆二色性 (XMCD)和磁力显微镜(MFM)证实单层碲化铬具有面外的磁各向异性和高达约344 K的居里温度（高于室温），而较厚样品薄膜 (≈7 nm) 的居里温度为约240 K和面内的易磁化轴。通过结合密度泛函理论 (DFT) 计算和蒙特卡洛模拟，该团队解释了二维碲化铬中随厚度变化的磁性性质来源于碲化铬/石墨界面间不同的轨道耦合强度。该工作以“Room Temperature Ferromagnetism of Monolayer Chromium Telluride with Perpendicular Magnetic Anisotropy”为题发表在国际著名材料学期刊《Advanced Materials》上，其中Rebekah Chua博士是论文的第一作者，Andrew Wee教授,黄玉立副教授和杨明助理教授是论文的通讯作者。

小结

该工作报导了新型非层状室温铁磁二维材料的大规模生长，展示了通过调控基底温度对二维材料生长的有效调控,所采用的低温生长模式可与目前主流硅基半导体技术兼容，开辟了二维自旋电子器件与硅基电子器件相集成的新机遇。

文章链接：

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

图文解析

图1：体相和单层Cr₃Te₄的晶体结构。

图2：在不同基底温度下生长的Cr₃Te₄样品。

图3：单层和较厚Cr₃Te₄样品的晶体结构和电学性质的对比。

图4： 单层和较厚Cr₃Te₄样品的磁性对比。

图5： 单层Cr₃Te₄的原子力显微镜和磁力显微镜测量结果。

图6： 单层Cr₃Te₄/石墨烯异质结的DFT模拟结果。

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