A observação direta do magnetismo intercamada dependente do empilhamento de van der Waals
p Epitaxia de feixe molecular (MBE) Crescimento de monocamada e bicamada de CrBr3 em HOPG (grafite pirolítica altamente orientada). (A e B) padrões RHEED (difração de elétrons de alta energia de reflexão) com ordens de difração indicadas de (A) o substrato HOPG nu e (B) o filme CrBr3 crescido em MBE. (C e D) Imagens STM (Scanning Tunneling Microscopy) de (C) a monocamada CrBr3 com (D) ilhas de bicamada. Os parâmetros de varredura foram os seguintes:Vb =1,1 V, I =100 pA, T =5 K para (C) e Vb =1,5 V, I =100 pA, T =5 K para (D). (E) Imagem resolvida atomicamente de uma monocamada de CrBr3 com uma estrutura atômica sobreposta. Os parâmetros de varredura foram os seguintes:Vb =1,5 V, I =500 pA, T =5 K. As constantes de rede foram determinadas como sendo 6,3 Ǻ para os vetores primitivos a e b, consistente com os valores em massa. (F) Ilustrações das vistas superior e lateral da estrutura atômica monocamada de CrBr3. Os átomos de Cr formam uma estrutura em forma de favo de mel ensanduichada por átomos de Br. Dentro da rede de favo de mel Cr, as superfícies superior e inferior dos átomos de Br formam triângulos únicos, mas com orientação oposta, indicado por linhas verdes sólidas e pontilhadas, respectivamente. (G) Imagem AFM de monocamada CrBr3 com cobertura parcial. Um perfil de corte de linha através da monocamada e substrato nu é mostrado com uma altura de monocamada de ~ 6,5 Ǻ. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aav1937
p Os cientistas de materiais visam controlar a estrutura cristalina de um sólido - em uma abordagem poderosa para manipular suas propriedades fundamentais. Os pesquisadores podem obter esse controle em materiais van der Waals (vDW), modificando a ordem de empilhamento por meio da rotação e translação entre as camadas do vDW. Em um estudo recente publicado em
Ciência , Weijong Chen e uma equipe de pesquisa nos departamentos interdisciplinares de física, materiais avançados, dispositivos de nanoeletrônica e computação quântica, e ciência e engenharia de materiais na China e nos EUA observaram magnetismo intercamada dependente de empilhamento no tribrometo de cromo semicondutor magnético bidimensional (CrBr
3 ) p Eles conseguiram isso através do crescimento bem-sucedido de uma monocamada e bicamada do material usando epitaxia de feixe molecular (MBE). Os pesquisadores usaram a microscopia de tunelamento de varredura polar spin in situ e espectroscopia para correlacionar diretamente a estrutura da rede atômica com a ordem magnética observada. Eles observaram a monocamada individual de CrBr
3 para ser ferromagnético, mas o acoplamento intercamada na bicamada dependia da ordem de empilhamento para ser ferromagnético ou antiferromagnético. As observações feitas no trabalho abrirão o caminho para manipular o magnetismo 2-D com controle do ângulo de torção da camada.
p Compreender o tipo de empilhamento van der Waals (vdW) é fundamental para determinar as propriedades dos materiais vdW em camadas. As fracas interações vdW entre camadas podem permitir que os cientistas controlem os graus de liberdade de rotação e translação entre as camadas para criar uma série de novos materiais com simetrias e funcionalidades de empilhamento distintas. Embora o trabalho anterior tenha se concentrado nas propriedades eletrônicas e ópticas do empilhamento vdW, cientistas fizeram descobertas recentes de magnetismo em materiais bidimensionais usando técnicas de esfoliação mecânica e epitaxia molecular. Entre os materiais magnéticos 2-D recém-descobertos, a família do trihaleto de cromo CrX
3 (onde X pode ser cloro, bromo ou iodo) têm recebido grande atenção. Essas estruturas magnéticas podem levar a uma série de fenômenos emergentes, incluindo magnetorresistência de tunelamento gigante, controle elétrico do magnetismo 2-D e geração de segundo harmônico ótico não recíproco gigante.
p Tunelamento spin-polarizado de monocamada CrBr3. (A) Espectros de tunelamento com polarização spin sob campos magnéticos fora do plano positivos e negativos (± 0,3 T). A inserção ilustra a geometria experimental. A magnetização no ápice da ponta é assumida como um sinal de spin up (B) dI / dV em função do campo magnético. Vb foi fixado em 1,4 V. O campo magnético fora do plano foi varrido para cima (dados em preto) e para baixo (dados em vermelho). O loop de histerese ferromagnética é delineado como linhas sólidas retangulares. As inserções esboçam as duas configurações do alinhamento de magnetização entre a ponta de Cr e o filme de monocamada CrBr3. O componente no plano de magnetização no ápice da ponta Cr, caso existam, não contribui para o contraste magnético em dI / dV. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aav1937
p Em contraste com o triiodeto de cromo (CrI
3 ), pesquisadores descobriram o acoplamento interlayer em tribrometo de cromo atomicamente fino (CrBr
3 )
para ser ferromagnético. No presente trabalho, Chen et al. portanto, usou microscopia de tunelamento de varredura polarizada por spin in situ e espectroscopia para estabelecer uma correlação direta entre o acoplamento magnético intercamada e as estruturas de empilhamento em CrBr
3 . A equipe inicialmente cresceu CrBr
3 filmes recém-clivados, substratos de grafite pirolítica altamente orientada (HOPG) usando epitaxia de feixe molecular (MBE). Eles monitoraram a superfície da amostra durante o crescimento in situ com difração de elétrons de alta energia de reflexão (RHEED). Os padrões RHEED em forma de faixa confirmaram um filme fino de monocamada cristalina 2-D de CrBr
3, qual Chen et al. verificado usando microscopia de tunelamento de varredura.
p Em outro depoimento, os materiais que os cientistas habilitaram a bicamada CrBr
3 ilhas para se formarem como aglomerados triangulares periodicamente espaçados. A estrutura cristalina do CrBr
3 molécula continha átomos de Cr dispostos em uma estrutura de favo de mel, rodeado por um octaedro de seis átomos de Br. Eles determinaram que a espessura da monocamada era de 6,5 Angstrom (Å) usando microscopia de força atômica (AFM). Tanto a topografia em grande escala (geometria da superfície) quanto as imagens STM atomicamente resolvidas mostraram crescimento de alta qualidade do CrBr
3 filmes monocamada. A equipe mediu as propriedades magnéticas do filme fino usando medições STM polarizadas por spin e, adicionalmente, confirmou a existência de ferromagnetismo. Por esta, Chen et al. mediu uma série de espectros de tunelamento (dI / dV) varrendo o campo magnético para frente e para trás. A observação sugeriu que o CrBr epitaxial
3 monocamadas crescidas em HOPG (grafite pirolítica altamente orientada) mantiveram as propriedades ferromagnéticas semicondutoras. Após a confirmação da estrutura atômica e do ferromagnetismo da monocamada CrBr
3, Chen et al. focado no CrBr
3 bicamada.
p Acoplamento ferromagnético intercalar em uma bicamada empilhada tipo H CrBr3. (A) Imagem STM de um filme CrBr3 com uma região de monocamada (1L) e uma ilha de duas camadas (2L). (B e C) ampliado, imagens atomicamente resolvidas de (B) a região da bicamada e (C) sua monocamada inferior estendida em Vb =1,9 V, indicando que as camadas superior e inferior na bicamada são anti-alinhadas, ou girado em 180 ° (empilhamento tipo H). (D) Estrutura atômica da bicamada CrBr3, conforme determinado a partir de imagens STM resolvidas atomicamente. As células unitárias das camadas superior e inferior são representadas pelos triângulos sólidos magenta e verde, respectivamente, correspondendo à superfície superior dos átomos de Br em cada folha de monocamada. Esses triângulos sólidos magenta e verde também são sobrepostos na monocamada e na bicamada em (A). A célula unitária da camada superior (magenta) é uma translação de 0,55a + 0,20b da camada inferior (verde). Para comparação com as estruturas na tabela S2, a estrutura de empilhamento também é mostrada com a superfície inferior dos átomos de Br de cada folha de monocamada como triângulos pontilhados e os átomos de Cr como hexágonos sólidos. (E) Tunelização spin-polarizada na bicamada CrBr3 em função do campo magnético com ponta Cr em Vb =1,5 V. O campo magnético fora do plano foi varrido para cima (dados em preto) e para baixo (dados em vermelho). Como o da monocamada CrBr3, um loop retangular de histerese ferromagnética foi observado com um campo coercivo de ~ 45 mT. As inserções representam duas configurações do alinhamento de magnetização entre a ponta e a amostra. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aav1937
p Nas bicamadas crescidas em MBE, os cientistas observaram estruturas de empilhamento do tipo H e R, onde o tipo R manteve ambas as camadas alinhadas na mesma orientação, enquanto o tipo H permitiu uma rotação de 180 graus entre as bicamadas. Os alinhamentos estruturais deram origem a acoplamentos magnéticos intercamadas distintos. Por exemplo, em CrBr bicamada empilhado tipo H
3 , o acoplamento interlayer era ferromagnético. Enquanto a bicamada empilhada do tipo R apresentou comportamento antiferromagneticamente acoplado em seus estados fundamentais, dando origem a duas configurações adicionais de magnetização. Em um exame mais aprofundado do acoplamento intercamada, os cientistas observaram o comportamento de dois platôs para demonstrar a transição conduzida pelo campo magnético do caráter antiferromagnético para o ferromagnético.
p Desta maneira, os cientistas demonstraram magnetismo intercamada distinto da bicamada CrBr crescida em MBE
3 do acoplamento antiferromagnético no empilhamento do tipo R ao acoplamento ferromagnético no empilhamento do tipo H para indicar a ampla sintonia do magnetismo nas ordens de empilhamento de materiais 2-D. Chen et al. creditou o acoplamento interlayer na bicamada CrBr
3 para superexchange interação controlada por hibridização direcional entre p-orbitais de bromo (Br) e d-orbitais de cromo (Cr). Uma vez que os ângulos de ligação e a distância de ligação do caminho de troca Cr-Br-Br-Cr dependem fortemente da ordem de empilhamento, eles esperam que o magnetismo intercamada dependa da distância intercamada e da posição do sítio atômico em relação à estrutura de empilhamento específica.
p Acoplamento antiferromagnético intercalar em uma bicamada empilhada tipo R CrBr3. (A) Imagem STM de um filme CrBr3 com uma região de monocamada (1L) e uma ilha de duas camadas (2L). (B e C) Imagens resolvidas atomicamente de (B) a monocamada e (C) a bicamada. Vb =1,9 V. A configuração de empilhamento na bicamada é identificada como tipo R, ou seja, as camadas superior e inferior estão na mesma orientação. (D) Estrutura atômica da bicamada CrBr3, conforme determinado a partir de imagens STM resolvidas atomicamente. A célula unitária da camada superior (magenta) é traduzida por 0,48a + 0,48b da camada inferior (verde). (E) Tunelamento polarizado de spin em uma bicamada CrBr3 empilhado tipo R com uma ponta Cr em Vb =1,5 V. As inserções mostram quatro configurações de magnetização, incluindo a ponta de Cr e a bicamada CrBr3, correspondendo a diferentes planaltos dI / dV dependentes do campo magnético. O campo magnético fora do plano foi varrido para cima (dados em preto) e para baixo (dados em vermelho). (F) Tunelamento dependente de spin na bicamada CrBr3 em (C) com uma ponta W não magnética em Vb =1,5 V. Diminuição abrupta do sinal dI / dV foi observada em campos magnéticos de ~ ± 0,5 T, sugerindo um acoplamento antiferromagnético interlayer dentro de ± 0,5 T. Crédito:Science, doi:10.1126 / science.aav1937.
p Enquanto os mecanismos de crescimento exatos ainda precisam ser investigados, Chen et al. ilustrou a importância do politipismo (polimorfismo ou variedade) em materiais vDW e seu papel no magnetismo 2-D. O novo trabalho pede para examinar de perto as estruturas de empilhamento em CrX esfoliado mecanicamente
3 amostras para compreender as propriedades distintamente observadas de acoplamento magnético intercamada. Os pesquisadores esperam que o princípio de trabalho manipule o magnetismo 2-D criando texturas de spin espacialmente dependentes exclusivas para uma variedade de aplicações com materiais vDW. p © 2019 Science X Network
