Epitaxia de haz molecular (MBE) Crecimiento de monocapa y bicapa de CrBr3 en HOPG (grafito pirolítico altamente orientado). (A y B) Patrones RHEED (difracción de electrones de alta energía de reflexión) con órdenes de difracción indicadas de (A) el sustrato HOPG desnudo y (B) la película de CrBr3 desarrollada con MBE. (C y D) Imágenes STM (microscopía de túnel de barrido) de (C) la monocapa de CrBr3 con islas de bicapa (D). Los parámetros de escaneo fueron los siguientes:Vb =1.1 V, I =100 pA, T =5 K para (C) y Vb =1,5 V, I =100 pA, T =5 K para (D). (E) Imagen resuelta atómicamente de una monocapa CrBr3 con una estructura atómica superpuesta. Los parámetros de exploración fueron los siguientes:Vb =1,5 V, I =500 pA, T =5 K. Se determinó que las constantes reticulares eran 6,3 Ǻ para los vectores primitivos ayb, coherente con los valores a granel. (F) Ilustraciones de las vistas superior y lateral de la estructura atómica de CrBr3 monocapa. Los átomos de Cr forman una red en forma de panal intercalada por átomos de Br. Dentro de la celosía de nido de abeja de Cr, las superficies superior e inferior de los átomos de Br forman triángulos simples pero con orientación opuesta, indicado por líneas verdes continuas y punteadas, respectivamente. (G) Imagen AFM de CrBr3 monocapa con cobertura parcial. Se muestra un perfil de corte de línea a través de la monocapa y el sustrato desnudo con una altura de la monocapa de ~ 6.5 Ǻ. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aav1937
Los científicos de materiales tienen como objetivo controlar la estructura cristalina de un sólido, en un enfoque poderoso para manipular sus propiedades fundamentales. Los investigadores pueden lograr este control en materiales de van der Waals (vDW) modificando el orden de apilamiento mediante la rotación y traslación entre las capas de vDW. En un estudio reciente publicado en Ciencias , Weijong Chen y un equipo de investigación en los departamentos interdisciplinarios de física, materiales avanzados, dispositivos nanoelectrónicos y computación cuántica, y la ciencia e ingeniería de materiales en China y los EE. UU. observaron magnetismo entre capas dependiente del apilamiento en el semiconductor magnético bidimensional de tribromuro de cromo (CrBr 3 ).
Lo lograron mediante el crecimiento exitoso de una monocapa y bicapa del material utilizando epitaxia de haz molecular (MBE). Los investigadores utilizaron espectroscopía y microscopía de túnel de barrido de espín polar in situ para correlacionar directamente la estructura de la red atómica con el orden magnético observado. Observaron la monocapa individual de CrBr 3 ferromagnético, pero el acoplamiento entre capas en la bicapa dependía del orden de apilamiento para ser ferromagnético o antiferromagnético. Las observaciones realizadas en el trabajo allanarán el camino para manipular el magnetismo 2-D con el control del ángulo de torsión de la capa.
Comprender el tipo de apilamiento de van der Waals (vdW) es fundamental para determinar las propiedades de los materiales de vdW en capas. Las interacciones vdW entre capas débiles pueden permitir a los científicos controlar los grados de libertad de rotación y traslación entre capas para crear una gran cantidad de nuevos materiales con distintas simetrías y funcionalidades de apilamiento. Si bien el trabajo anterior se centró en las propiedades electrónicas y ópticas del apilamiento de vdW, Los científicos han hecho descubrimientos recientes de magnetismo en materiales bidimensionales utilizando técnicas de exfoliación mecánica y epitaxia molecular. Entre los materiales magnéticos bidimensionales recién descubiertos, la familia de trihaluro de cromo CrX 3 (donde X puede ser cloro, bromo o yodo) han recibido gran atención. Tales estructuras magnéticas pueden conducir a una serie de fenómenos emergentes que incluyen magnetorresistencia de túnel gigante, control eléctrico de magnetismo 2-D y generación de segundo armónico óptico no recíproco gigante.
Túneles de spin-polarized de monocapa CrBr3. (A) Espectros de efecto túnel polarizados por espín bajo campos magnéticos positivos y negativos fuera del plano (± 0,3 T). El recuadro ilustra la geometría experimental. Se supone que la magnetización en el vértice de la punta es una señal de giro (B) dI / dV en función del campo magnético. Vb se fijó en 1,4 V. El campo magnético fuera del plano se barrió hacia arriba (datos negros) y hacia abajo (datos rojos). El bucle de histéresis ferromagnética se describe como líneas continuas rectangulares. Los recuadros dibujan las dos configuraciones de la alineación de magnetización entre la punta de Cr y la película de CrBr3 monocapa. El componente en el plano de la magnetización en el ápice de la punta de Cr, Si alguna, no contribuye al contraste magnético en dI / dV. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aav1937
A diferencia del triyoduro de cromo (CrI 3 ), Los investigadores encontraron el acoplamiento entre capas en tribromuro de cromo atómicamente delgado (CrBr 3 ) ser ferromagnético. En el presente trabajo, Chen y col. por lo tanto, se utiliza microscopía y espectroscopía de efecto túnel de barrido polarizado de espín in situ para establecer una correlación directa entre el acoplamiento magnético entre capas y las estructuras de apilamiento en CrBr 3 . El equipo creció inicialmente CrBr 3 películas recién cortadas, sustratos de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) que utilizan epitaxia de haz molecular (MBE). Monitorizaron la superficie de la muestra durante el crecimiento in situ con difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Los patrones RHEED en forma de rayas confirmaron una película delgada de monocapa cristalina 2-D de CrBr 3, que Chen et al. verificado mediante microscopía de túnel de barrido.
En una nueva deposición, Los científicos de materiales permitieron CrBr bicapa 3 islas para formarse como grupos triangulares espaciados periódicamente. La estructura cristalina del CrBr 3 molécula contenía átomos de Cr dispuestos en una red de panal, rodeado por un octaedro de seis átomos de Br. Determinaron que el grosor de la monocapa era de 6,5 Angstrom (Å) utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). Tanto la topografía a gran escala (geometría de la superficie) como las imágenes STM resueltas atómicamente mostraron un crecimiento de alta calidad del CrBr 3 películas monocapa. El equipo midió las propiedades magnéticas de la película delgada utilizando medidas STM con polarización de espín y, además, confirmó la existencia de ferromagnetismo. Para esto, Chen y col. midió una serie de espectros de efecto túnel (dI / dV) barriendo el campo magnético de un lado a otro. La observación sugirió que el CrBr epitaxial 3 las monocapas cultivadas en HOPG (grafito pirolítico altamente orientado) mantuvieron propiedades ferromagnéticas de semiconductores. Después de confirmar la estructura atómica y el ferromagnetismo de CrBr monocapa 3, Chen y col. centrado en el CrBr 3 bicapa.
Acoplamiento ferromagnético entre capas en un CrBr3 bicapa apilado tipo H. (A) Imagen STM de una película de CrBr3 con una región monocapa (1L) y una isla bicapa (2L). (B y C) Magnificado, Imágenes de resolución atómica de (B) la región bicapa y (C) su monocapa inferior extendida en Vb =1,9 V, indicando que las capas superior e inferior de la bicapa están anti-alineadas, o girado 180 ° (apilamiento tipo H). (D) Estructura atómica de la bicapa CrBr3, según se determina a partir de imágenes STM resueltas atómicamente. Las celdas unitarias de las capas superior e inferior están representadas por triángulos sólidos magenta y verde, respectivamente, correspondiente a la superficie superior de los átomos de Br en cada hoja monocapa. Estos triángulos sólidos magenta y verde también se superponen en la monocapa y bicapa en (A). La celda unitaria de la capa superior (magenta) es una traslación de 0,55a + 0,20b de la capa inferior (verde). Para comparar con las estructuras de la tabla S2, la estructura de apilamiento también se muestra con la superficie inferior de los átomos de Br de cada hoja monocapa como triángulos punteados y los átomos de Cr como hexágonos sólidos. (E) Túnel polarizado por espín en la bicapa CrBr3 en función del campo magnético con una punta de Cr en Vb =1,5 V. El campo magnético fuera del plano se barrió hacia arriba (datos negros) y hacia abajo (datos rojos). Como el de la monocapa CrBr3, Se observó un bucle de histéresis ferromagnética rectangular con un campo coercitivo de ~ 45 mT. Los recuadros representan dos configuraciones de la alineación de magnetización entre la punta y la muestra. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aav1937
En las bicapas cultivadas con MBE, los científicos observaron estructuras de apilamiento de tipo H y R, donde el tipo R mantuvo ambas capas alineadas en la misma orientación mientras que el tipo H permitió una rotación de 180 grados entre las bicapas. Las alineaciones estructurales dieron lugar a distintos acoplamientos magnéticos entre capas. Por ejemplo, en CrBr bicapa apilada tipo H 3 , el acoplamiento entre capas fue ferromagnético. Mientras que la bicapa apilada de tipo R mostró un comportamiento acoplado antiferromagnéticamente en sus estados fundamentales dando lugar a dos configuraciones adicionales de magnetización. Tras un examen más detenido del acoplamiento entre capas, los científicos observaron el comportamiento de dos mesetas para demostrar la transición impulsada por el campo magnético del carácter antiferromagnético al ferromagnético.
De este modo, Los científicos demostraron un magnetismo entre capas distinto del CrBr bicapa desarrollado con MBE. 3 desde el acoplamiento antiferromagnético en el apilamiento de tipo R hasta el acoplamiento ferromagnético en el apilamiento de tipo H para indicar la amplia capacidad de sintonización del magnetismo en los órdenes de apilamiento de materiales 2-D. Chen y col. acreditado el acoplamiento entre capas en CrBr bicapa 3 a la interacción de supercambio controlada por la hibridación direccional entre los orbitales p del bromo (Br) y los orbitales d del cromo (Cr). Dado que los ángulos de enlace y la distancia de enlace de la ruta de intercambio Cr-Br-Br-Cr dependían en gran medida del orden de apilamiento, esperan que el magnetismo entre capas dependa de la distancia entre capas y la posición del sitio atómico en relación con la estructura de apilamiento específica.
Acoplamiento antiferromagnético entre capas en un CrBr3 bicapa apilado de tipo R. (A) Imagen STM de una película de CrBr3 con una región monocapa (1L) y una isla bicapa (2L). (B y C) Imágenes de resolución atómica de (B) la monocapa y (C) la bicapa. Vb =1,9 V. La configuración de apilamiento en la bicapa se identifica como tipo R, es decir., las capas superior e inferior están en la misma orientación. (D) Estructura atómica de la bicapa CrBr3, según se determina a partir de imágenes STM resueltas atómicamente. La celda unitaria de la capa superior (magenta) se traduce en 0.48a + 0.48b desde la capa inferior (verde). (E) Túnel polarizado por giro en un CrBr3 bicapa apilado tipo R con una punta de Cr en Vb =1.5 V. Los recuadros muestran cuatro configuraciones de magnetización, incluyendo la punta Cr y CrBr3 bicapa, correspondiente a diferentes mesetas dI / dV dependientes del campo magnético. El campo magnético fuera del plano se barrió hacia arriba (datos negros) y hacia abajo (datos rojos). (F) Túnel dependiente del giro en la bicapa CrBr3 en (C) con una punta W no magnética en Vb =1.5 V. Se observó una disminución abrupta de la señal dI / dV en campos magnéticos de ~ ± 0.5 T, sugiriendo un acoplamiento antiferromagnético entre capas dentro de ± 0.5 T. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aav1937.
Si bien quedan por investigar los mecanismos exactos de crecimiento, Chen y col. ilustró la importancia del politipismo (polimorfismo o variedad) en los materiales vDW y su papel en el magnetismo 2-D. El nuevo trabajo pide examinar de cerca las estructuras de apilamiento en CrX exfoliado mecánicamente 3 muestras para comprender las propiedades claramente observadas del acoplamiento magnético entre capas. Los investigadores esperan que el principio de trabajo manipule el magnetismo 2-D mediante la ingeniería de texturas de espín únicas espacialmente dependientes para una variedad de aplicaciones con materiales vDW.
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