二维材料的磁性研究

作     者：沈伟 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：翟亚

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：二维材料 自旋电子学 磁晶各向异性 霍尔电阻 电子自旋共振 

摘      要：电子具有电荷自由度,电子还有另一种内禀属性——自旋自由度。传统的电子器件是通过控制电子电荷自由度来实现信息的处理。但是,由于量子效应的存在,“摩尔定律的失效使得基于电荷自由度的电子器件的微型化,和集成化出现了瓶颈。近些年来,通信和信息技术得到了高速的发展,由此引起的信息量的暴增对磁记录的三个方面——写、存、读提出了新一轮的挑战。计算机硬盘上的磁盘存储量在过去十多年的时间里一直呈倍数增长,与此同时,自旋电子学这一新兴学科也得到了迅速的发展。自旋电子学是一门同时通过操控电子电荷自由度和自旋自由度来传递信息的学科。近年来,以大家所熟知的石墨烯代表的二维材料,让存算一体的自旋电子器件的发展有了新的方向,且因其自身十分新奇的物理化学性质而受到大众的广泛关注。由于具有d层轨道电子的二维层状的铁磁金属化合物具有较为容易被胶带剥离至单层等物理性质,因而成为了自旋电子学的一个新的研究领域。可以预见的是,在不久的将来,这种二维层状的铁磁金属化合物在存算一体的磁存储应用方面有着相当大的发展前景。本论文主要对针对二维磁性材料FeGeTe和CrCl进行了研究,证实了该材料本征磁性的存在,并对磁性提出了新的见解。此外,对材料的霍尔效应和自旋动力学进行了研究。取得了如下研究结果:(1)CrCl范德华晶体的螺旋磁性和3D自旋波的传播通过采用化学气相传输法CVT生长了磁性CrCl单晶块材。通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对单晶结构进行了表征。使用振动样品磁强计(VSM)确定了CrCl的晶片在低温下具有铁磁性,其居里外斯温度为27 K,CrCl在低温下具有几乎可忽略不计的矫顽场。易磁化方向在ab面内,饱和场约250 m T,具有相对较小的磁晶各向异性能。根据磁化率随温度的依赖性,我们提出了该晶体在低温下具有螺旋磁性的特点,其螺旋轴沿着c轴方向,饱和磁化强度随温度变化可以用3D自旋波激发模型来解释。随着温度升高,晶片表现出顺磁性,满足居里-外斯定律。由此我们给出了CrCl单晶片新的相图。通过电子自旋共振(ESR),对CrCl晶片的自旋动力学进行了研究,通过数据拟合和自旋波谱解谱,发现该材料的磁各向异性主要来自于退磁场能,并发现随着角度和温度的变化,自旋波的出现或消失,皆来自于层间静磁相互作用,从而说明这种静磁模自旋波是贯穿整个晶体内部的。该结果为二维磁性材料自旋动力学过程的研究提供了新的思路。(2)三元van der Waals FGT的高居里温度和霍尔磁阻研究同样是通过CVT化学气相传输法生长了磁性FeGeTe三元单晶块材。通过X射线衍射(XRD)对单晶结构进行了表征,使用EDS确定了样品的元素配比。使用振动样品磁强计(VSM)确定了FeGeTe单晶块材具有铁磁性,其居里温度为210 K。块材FeGeTe的矫顽场为30 m T,面外c轴为易磁化方向,饱和场约300 m T,具有较大的磁晶各向异性能。随着温度升高,晶片表现出顺磁性,满足居里-外斯定律。对FeGeTe的霍尔电阻进行了测量,测得饱和霍尔电阻值随温度升高而降低。发现当材料经过机械剥离到少层,居里温度会随着样品的厚度减少而降低,在本实验中,随着从块材剥离至20 nm,居里温度也从210 K降低至190 K;矫顽场增大,磁滞回线近似于方形,显示出强垂直各向异性导致的自旋排列。