空気中で安定な室温ファンデルワールス磁性薄片の合成

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(a) HSAB 原理によって支配される相転移の概略図 (b) 反応した t = 14 nm サンプルの高角度環状暗視野走査型透過電子顕微鏡 (STEM) 断面画像。 (c) Pt および Te 元素の原子分解能エネルギー分散分光計 (EDS) マッピング。 (d) 得られたサンプルのラマンスペクトル。挿入図は、PtTe2 の格子構造を示しています。 (e) Ge 元素の EDS マッピング。 (f) vdW PtTe2Ge1/3 (青い四角) および表面の置換 Cr (赤い四角) の電子エネルギー損失分光法 (EELS) スペクトル。 584 eV 付近の二重ピーク、532 eV および 615 eV 付近の単一ピークは、それぞれ Cr、O、および Te の特徴です。挿入図は低解像度の画像を示しています。スケールバー: 2 nm。画像の一番上の明るい層は、STEM サンプルの準備のための保護層 (プラチナ) です。
CREDIT
©ScienceChinaPress

要約：
最近の発見以来、2 次元 (2D) ファンデルワールス (vdW) 磁石は材料科学のホットスポットになっています。 2D 磁性は、凝縮物質研究の研究において最も有望な分野の XNUMX つにもなっています。さまざまなエキサイティングな性能を備えた XNUMXD vdW 磁石は、トポロジーマグネトエレクトロニクス、低電力スピントロニクス、量子コンピューティング、光通信において重要なアプリケーションの可能性を秘めています。

空気安定室温ファンデルワールス磁性薄片の合成

北京、中国 | 投稿日: 30 年 2022 月 XNUMX 日

層状の積層構造の恩恵を受けて、vdW磁石の薄いフレークは結晶から容易に剥がれ、ヘテロ構造に柔軟に構築できます。したがって、従来の磁性薄膜と比較して、優れた界面効果と新しい物理現象を示します。ただし、すべてのコインには XNUMX つの側面があり、vdW 磁石には XNUMX つの重大な弱点があります。それらのキュリー温度 (TC) は一般に室温よりもはるかに低く、薄いフレークは空気中で急速に酸化されるため、基礎研究と実用化の両方で困難が生じます。したがって、TC と空気安定性の評価は、vdW 磁性材料の研究の焦点の XNUMX つになりました。これは、それらの実用化にとって非常に重要です。

Feng Pan 教授と Cheng Song 教授 (清華大学材料科学工学部の先端材料の重要な研究室) が率いる研究チームは、vdW 磁石のこれらの弱点の原因を分析し、異常な変位反応を設計して、新しいものを合成します。常温TCと高い空気安定性を併せ持つvdW磁性薄片。

研究チームは、従来の vdW 磁性材料の容易な酸化は、相容れない元素間の不安定性を説明する Hard-Soft-Acid-Base 原理 (HSAB) によって説明できると提唱しています。一方、低TCは、強いスピン軌道結合によって強化できます。したがって、強いスピン軌道結合（PtTe2）を備えた自然に安定なvdW非磁性材料に高密度秩序化非磁性ドーピングによって磁性を誘導することは、室温で安定したvdW磁石を実現するための実行可能な方法です。問題はここで解決されたようです。しかし、従来の方法に基づいて、高密度で層状の均一なドーピングを導入することは困難であり、偏析ドーピングまたは第 2 フェーズを形成する傾向があります。インスピレーションは、Ge 原子が Cr-Te vdW 格子にすでに均一に配置されている従来の vdW 磁石 Cr2Ge6Te2 から得られます。チームは、置換反応で Pt が Cr2Ge6TeXNUMX の Cr 原子を置き換えることができるかどうかを検討しますが、元の Ge 原子は Pt-Te vdW 格子に自然に埋め込まれ、長距離秩序強磁性を誘発する可能性があります。この置換反応は、金属活性の順序とは逆のように見えますが (Cr > Pt)、HSAB は、Pt が Cr と比較して Te とより緊密に結合できることを示しており、これもこの反応を支配する可能性があります。

実験は、Cr2Ge2Te6/Pt ヘテロ構造の製造から始まり、その後、反応の活性化エネルギーを提供するためのアニーリングプロセスが続きます。満足のいく結果は、理論上の期待と一致しています。構造特性は、薄いサンプルでは、Cr 原子が Pt 原子で完全に置換され、PtTe2 vdW 構造が Ge 原子の層状の均一な挿入で形成されることを示しています。新しい vdW 薄片 PtTe2Ge1/3 が得られます。「この驚くべき反応は従来の認識とは異なりますが、それでも合理的です。」 Song 教授は、「VdW 材料は常に予想外の現象を示す」と述べています。

さらに、PtTe2Ge1/3 の室温 TC と高い空気安定性の両方が実証されています。光学的および電気的測定により、上記の室温強磁性が観察されます。第一原理計算に基づいて、強磁性は、埋め込まれたGe原子との不均衡なPt-Te軌道混成に起因します。 PtTe2Ge1/3 の高い空気安定性は、空気中に何ヶ月もさらされても磁気が持続することを示しています。

「室温のvdW強磁性薄片における高い空気安定性の実現は、vdW磁性材料の調査と応用の両方を進めるvdW磁石のブレークスルーです。」パン教授は、「置換反応のアイデアは、さまざまな vdW ファミリー間の研究にも役立つ可能性がある」と述べています。

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コンタクト：
ベイヤン
サイエンスチャイナプレス

専門家の連絡先

成宋
清華大学北京未来チップイノベーションセンター材料科学工学院先端材料重点実験室

フェン・パン
清華大学北京未来チップイノベーションセンター材料科学工学院先端材料重点実験室

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