Magnetiska 2D-material

Magnetiska 2D-material eller magnetiska van der Waals-material är tvådimensionella material som visar ordnade magnetiska egenskaper som antiferromagnetism eller ferromagnetism . Efter upptäckten av grafen 2004 har familjen av 2D-material växt snabbt. Sedan dess har det rapporterats om flera relaterade material, alla utom magnetiska material. Men sedan 2016 har det kommit många rapporter om magnetiska 2D-material som kan exfolieras med lätthet precis som grafen.

Den första van der Waals-magnetismen med få lager rapporterades 2016 för antiferromagnetiska material; till exempel _NiPS3 , _FePS3 och _MnPS3 . Året därpå upptäcktes de första 2D-ferromagneterna, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ och CrI _{3 2017. En anledning till denna till synes sena upptäckt är att termiska fluktuationer tenderar att förstöra den magnetiska ordningen för 2D-magneter lättare jämfört med 3D-bulk.} Det är också allmänt accepterat i samhället att lågdimensionella material har olika magnetiska egenskaper jämfört med bulk. Detta akademiska intresse för att övergången från 3D- till 2D-magnetism kan mätas har varit drivkraften bakom mycket av de senaste arbetena om van der Waals-magneter. Mycket förväntad övergång av sådana har sedan observerats i både antiferromagneter och ferromagneter: FePS ₃ , Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , CrI ₃ , NiPS ₃ , MnPS ₃ , Fe ₃ GeTe ₂

Även om fältet bara har funnits sedan 2016, har det blivit ett av de mest aktiva fälten inom kondenserad materiens fysik och materialvetenskap och teknik. Det har skrivits flera recensionsartiklar för att belysa dess framtid och löfte.

Översikt

Magnetiska van der Waals material är ett nytt tillägg till den växande listan över 2D-material . Det speciella med dessa nya material är att de uppvisar ett magnetiskt jordtillstånd, antingen antiferromagnetiskt eller ferromagnetiskt, när de tunnas ut till väldigt få ark eller till och med ett lager av material. En annan, förmodligen viktigare egenskap hos dessa material är att de lätt kan tillverkas i få lager eller monolagerform med hjälp av enkla medel som scotch-tejp, vilket är ganska ovanligt bland andra magnetiska material som oxidmagneter.

Intresset för dessa material bygger på möjligheten att enkelt tillverka tvådimensionella magnetiska material. Fältet började med en serie uppsatser 2016 med ett konceptuellt papper och en första experimentell demonstration. Fältet utökades ytterligare med publiceringen av liknande observationer inom ferromagnetism året därpå. Sedan dess har flera nytt material upptäckts och flera granskningsartiklar har publicerats.

Teori

Magnetiska material har sina ( snurr ) inriktade över en makroskopisk längdskala. Inriktningen av snurren drivs vanligtvis av utbytesinteraktion mellan närliggande snurr. Medan inriktningen alltid kan existera vid absolut noll ( ${\displaystyle T=0} ) kan termiska fluktuationer feljustera magnetiska moment vid temperaturer över$ Curie-temperaturen ( $T_{C}$ ), vilket orsakar en fasövergång till ett icke-magnetiskt tillstånd. Huruvida $T_{C}$ är över den absoluta nollan beror mycket på systemets dimensioner.

För ett 3D-system är Curie-temperaturen alltid över noll, medan ett endimensionellt system endast kan vara i ett ferromagnetiskt tillstånd vid $T=0$

För 2D-system beror övergångstemperaturen på spinns dimensionalitet ( ${\displaystyle n})$ . I system med $n=1$ kan de plana snurren orienteras antingen i eller utanför planet. En snurrdimensionalitet på två betyder att snurren är fria att peka i valfri riktning parallellt med planet. Ett system med en spinndimensionalitet på tre betyder att det inte finns några begränsningar för snurrriktningen. Ett system med $n=1$ beskrivs av 2D Ising-modellen . Onsagers lösning på modellen visar att ${\displaystyle T_{C}>0} ,$ vilket tillåter magnetism vid erhållbara temperaturer. Tvärtom, ett system där $n=3$ , beskrivet av den isotropiska Heisenberg-modellen , visar aldrig magnetism vid någon ändlig temperatur. Den långa räckviddsordningen av spinnen förhindras av Mermin-Wagner-satsen som säger att spontant symmetribrott som krävs för magnetism inte är möjligt i isotropa tvådimensionella magnetiska system. Snurrvågor i detta fall har ändlig densitet av tillstånd och är gapfria och är därför lätta att excitera, vilket förstör magnetisk ordning. Därför krävs en extern källa för magnetokristallin anisotropi , såsom externt magnetfält, för att material med $n=3$ ska visa magnetism.

2D-modellen beskriver beteendet hos FePS ₃ , CrI ₃ . och _{Fe3GeTe2 ,} medan _Cr2Ge2Te6 och MnPS3 beter _{sig som en isotrop Heisenberg} - modell . Den inneboende anisotropin i CrI ₃ och Fe ₃ GeTe ₂ orsakas av stark spin-omloppskoppling , vilket gör att de kan förbli magnetiska ner till ett monolager , medan Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ endast har uppvisat magnetism som ett dubbelskikt eller tjockare. XY -modellen beskriver fallet där $n=2$ . I detta system sker ingen övergång mellan det ordnade och oordnade tillståndet, utan istället genomgår systemet en så kallad Kosterlitz–Thouless-övergång vid ändlig temperatur $T_{KT}$ , där vid temperaturer under $T_{KT}$ systemet har en magnetisk ordning på en nästan lång räckvidd. Det rapporterades att de teoretiska förutsägelserna för XY-modellen överensstämmer med de experimentella observationerna av NiPS _3. Heisenbergmodellen beskriver fallet där $n=3$ . I detta system finns det ingen övergång mellan de ordnade och oordnade tillstånden på grund av Mermin-Wagner-satsen . Den experimentella realiseringen av Heisenberg-modellen rapporterades med användning av MnPS ₃ .

Ovanstående system kan beskrivas med en generaliserad Heisenberg spin Hamiltonian :

$H=-{\frac {1}{ 2}}\summa _{<i,j>}(J\mathbf {S} _{i}\cdot \mathbf {S} _{j}+\Lambda S_{j}^{z}S_{i} ^{z})-\summa _{i}A(S_{i}^{z})^{2}$ ,

Där $J$ är utbyteskopplingen mellan snurr $displaystyle \mathbf {S} _{i}}$ och $\mathbf {S} _{j}$ och $A$ och $\Lambda$ är magnetiska anisotropier på plats respektive inter-plats. Inställning $A\rightarrow \pm \infty$ återställde 2D Ising-modellen och XY-modellen. (positivt tecken för $n=1$ och negativt för $n=2$ ), medan $A\approx 0$ och $\Lambda \approx 0$ återställer Heisenberg-modellen ( $n=3$ ). Tillsammans med de idealiserade modellerna som beskrivs ovan kan spinn Hamiltonian användas för de flesta experimentella uppställningar, och den kan också modellera dipol-dipol-interaktioner genom renormalisering av parametern A {\ $A}$ . Emellertid krävs ibland att ytterligare grannar inkluderas eller att annan utbyteskoppling används, såsom antisymmetrisk utbyte .

Mätning av tvådimensionell magnetism

Magnetiska egenskaper hos tvådimensionella material mäts vanligtvis med Raman-spektroskopi , Magneto-optisk Kerr-effekt , magnetisk cirkulär dikroism eller Anomalous Hall-effektteknik . Systemets dimensionalitet kan bestämmas genom att mäta skalningsbeteendet för magnetisering ( $M$ ), susceptibilitet ( $\chi$ ) eller korrelationslängd ( $\xi$ ) som en funktion av temperatur. Motsvarande kritiska exponenter är $\beta$ , $\gamma$ respektive $v$ . De kan hämtas genom montering

$M(T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{\beta }$ ,

$\chi (T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{-\gamma }$ eller

$\xi (T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{-v}$

till datan. De kritiska exponenterna beror på systemet och dess dimensionalitet, som visas i tabell 1. Därför indikerar en abrupt förändring i någon av de kritiska exponenterna en övergång mellan två modeller. Dessutom Curie-temperaturen mätas som en funktion av antalet lager ( ${\displaystyle N})$ . Denna relation för ett stort $N$ ges av

$T_{\text{C}}(N)/T_{\text{C}}^{\text{3D}} =1-(C/N)^{\frac {1}{v}}$ ,

där $C$ är en materialberoende konstant. För tunna lager ändras beteendet till $T_{\text{C}}\propto N$

Tabell 1: Kritiska exponenter för två- och tredimensionella Ising-modeller

Modell	$\beta$	$\gamma$	$v$
2D Ising	0,125	1,75	1
3D Ising	0,3265	1,237	0,630

Ansökningar

Magnetiska 2D-material kan användas som en del av van der Waals heterostrukturer. De är skiktade material som består av olika 2D-material som hålls samman av van der Waals krafter . Ett exempel på en sådan struktur är ett tunt isolerande/halvledande skikt mellan lager av 2D magnetiskt material, vilket ger en magnetisk tunnelövergång . Denna struktur kan ha betydande spinnventileffekt , och därför kan de ha många tillämpningar inom spintronikområdet . En annan nyligen framväxande riktning kom från den ganska oväntade observationen av magnetisk exciton i NiPS _3.