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四方结构层状铁磁新材料CrPS4

编辑: 时间:2020年06月22日 访问次数:760

最近几年二维磁性材料异军突起,迅速成为了物理、化学和材料等学科关注的新热点。不同于传统的基于自发性对称破缺理论的三维磁性材料,范德瓦尔斯磁体揭示了极其丰富的二维极限下的磁有序物理图像:稳定的二维磁性,除了需要磁各向异性,还和层间磁耦合,层内磁性原子之间的交换相互作用,以及晶格畸变等多种机制相关。除了机理研究,薄层范德瓦尔斯磁体会呈现出非常有趣的现象,比如反铁磁材料CrCl3的奇数层和偶数层拥有完全不同的变磁行为(Metamagnetic Transitions。这些新奇的二维磁性质,可以进一步利用异质结,近邻效应,栅极调控等手段来进行有效的调控,从而促进我们对二维磁性的深入理解,同时也为未来的器件应用提供了新的思路。CrPS4作为一种新型的范德瓦尔斯反铁磁材料,其磁结构和磁场中的磁矩的翻转方式至今没有定论,因此CrPS4磁性的研究对于其未来的器件设计具有重要的意义。

    浙江大学物理系郑毅研究员课题组和北京大学物理系杨金波教授团队合作,利用磁性测量,磁转矩(Magnetic Torque)和中子衍射等方法,确定CrPS4的磁结构为面外磁矩取向的铁磁单层形成层间反铁磁耦合,并进一步揭示了与其独特的四方结构相关的丰富变磁转变现象。相关论文Magnetic Structure and Metamagnetic Transitions in the van der Waals Antiferromagnet CrPS4发表于《Advanced Materials》。

该研究发现CrPS438K温度以下基态为A-type层间反铁磁相,而沿着晶格c方向加磁场到0.7T时,Cr磁矩发生了转向(Spin-Flop)。 利用中子衍射的结果可以发现由于CrPS4面内的独特各向异性,磁矩更容易朝着面内b方向翻转,并沿着CrS6八面体链的方向形成准一维链,即所谓倾斜反铁磁态Canted AFM)。当磁场大于8.4T时,CrPS4磁矩方向最终沿着磁场方向,形成铁磁态。CrPS4在相对较低磁场下的变磁转变和多样的磁结构表明其是一个研究二维磁性的独特体系;更重要的是,与当前热点的二维磁性CrI3Cr2Ge2Te6Fe3GeTe2体系中的六角格点不一样,CrPS4的单层为四方结构,且具有非常强的面内各项异性,是一个非常值得深入探究的二维磁性体系。二维极限下的相关机理和器件应用原型研究目前正在开展中。

浙江大学物理系博士生程满和北京大学物理学院研究生彭宇轩和丁石磊为论文的共同第一作者,浙江大学物理系郑毅研究员和北京大学物理系杨金波教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划(2017YFA02063032016YFA0300204)和国家自然科学基金(119750355173100111574264)的支持。


图一:CrPS4在不同磁场下的磁结构和变磁转变现象