Visualisatie van atomaire structuur en magnetisme van 2-D magnetische isolatoren

Figuur toont de van der Waals (vdW) heterostructuur van G / FL-CrI3 / Gr (G: grafeen, FL: enkele lagen, CrI3: chroom (III) jodide, Gr: grafiet) gebruikt in de scanning tunneling microscopie (STM) studie . (a) de schematische illustratie en (b) het optische beeld van de experimentele opstelling. Het monster bestaat uit monolaag grafeen dat de FL-CrI3-stapeling op grafietvlok (G / FL-CrI3 / Gr) bedekt. (c) De atomaire structuur van monolaag CrI3 (bovenaanzicht). Bias-afhankelijke STM-afbeeldingen van G / FL-CrI3 / Gr tonen het (d) grafeenrooster – genomen op Vs = -0.3V en (e) CrI3-rooster – genomen op Vs = 2.5V met gesuperponeerde atomaire structuur van monolaag CrI3 (I atomen op het onderste atoomvlak zijn verwijderd voor de duidelijkheid). Credit: Nature Communications

NUS-wetenschappers hebben een algemene benadering gedemonstreerd voor het karakteriseren van de atomaire structuur en elektronische en magnetische eigenschappen van tweedimensionale (2-D) magnetische isolatoren met behulp van scanning-tunneling microscopie.

De recente ontdekking van 2-D magneten en de ontwikkeling van van der Waals (vdW) heterostructuur engineering bieden ongekende mogelijkheden, niet alleen om de opwindende fysica van magnetisme in gereduceerde afmetingen te onderzoeken, maar ook om spintronische apparaten van de nieuwe generatie te ontwikkelen voor toepassingen in de kwantumtechnologie. Verdere ontwikkelingen op dit gebied hebben betrekking op het begrip op atomair niveau van elektronische en magnetische eigenschappen van 2D-magneten en hun heterostructuren. Helaas werkt de directe toepassing van conventionele scanning tunneling microscopie (STM) -technieken om meer te weten te komen over de materiaaleigenschappen niet goed voor 2-D magnetische isolatoren. STM-beeldvorming berust op het kwantumtunnelingeffect, waarbij elektronen tunnelen van de atoomscherpe punt naar de geleidende monsters of omgekeerd. Het kan niet worden toegepast om isolerende bulkmaterialen te bestuderen, aangezien er geen geleidend pad is.

Een NUS-onderzoeksteam onder leiding van prof.Jiong Lu van de afdeling Chemie, NUS heeft de toepassing van STM aangetoond om isolerend antiferromagnetisch chroom (III) jodide (CrI₃) kristallen door ze op te nemen met op grafeen gebaseerde vdW-heterostructuren (zie figuur). Dit werk is in samenwerking met Prof Kostya S. Novoselov van het Department of Materials Science and Engineering, NUS. Hun techniek breidt de mogelijkheden van STM uit door het in staat te stellen isolatiematerialen te bestuderen om inzicht te krijgen in de magnetische ordening in 2D-magneten.

Door het bestudeerde materiaal af te dekken met een enkele laag grafeen, kan het onderzoeksteam de stapelvolgorde en magnetische koppeling tussen de lagen van geëxfolieerd CrI verkrijgen.₃ dat is een paar lagen dik door STM-beeldvorming bij lage temperatuuromstandigheden te gebruiken. Ze identificeerden ook de magnetische structuur en toonden aan dat STM-beeldvorming onderscheid kan maken tussen de ferromagnetische en antiferromagnetische structuren van CrI₃ (enkele lagen dik). Dit komt door de eigenaardige interactie van de magnetische toestanden met het overliggende grafeen.

Prof Lu zei: “Onze benadering is algemeen van aard en vertegenwoordigt een doorbraak op het gebied van karakterisering op atomaire schaal van de atomaire structuur, elektronische en magnetische eigenschappen van verschillende magnetische isolatoren en hun vdW-heterostructuren. Het kan de ontwikkeling van 2-D magnetische isolatoren voor spintronische apparaten van de volgende generatie vergemakkelijken