二维磁性晶体CrxTey的磁性和磁输运

作     者：吴海静 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄兆聪;翟亚

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：Cr-Te二维材料 掺杂 居里温度 磁各向异性 磁电阻 

摘      要：物质的磁性主要来源于电子的运动和自旋,磁性在信息存储、传感器、医疗诊断等重要技术方面的应用,对科学技术的进步产生重大影响。理论上,根据Mermin-Wagner定理,有限温度下二维各向同性海森堡模型不存在自发磁化,所以自二维材料发现以来对于本征二维磁性材料的研究长时间处于缺失状态。直到2017年,范德瓦尔斯材料Cr I和CrGeTe磁性的发现,从实验上证实了二维材料本征磁性的存在,并迅速成为了研究热点。目前报道的大多数二维铁磁材料居里温度明显低于室温,这限制了其发展和应用,因此寻找具有室温下本征磁性的二维材料仍然具有很大价值。理论计算表明,Cr基二元铁磁性材料CrTe具有高的居里温度和稳定的本征磁性,以及良好的金属导电性,是很有潜力的自旋电子学材料。各种成分的CrTe逐渐被发现和合成,包括Cr Te、CrTe、CrTe和CrTe等,Cr含量对晶体结构和磁性质起着至关重要的作用。其中每层Cr Te由Te-Cr-Te三原子层构成,相邻两层结构通过范德华力结合,是室温铁磁性的层状材料。另外一种Cr-Te化合物CrTe具有众多优点,例如室温稳定性和优良的磁性能等,而具有相似结构的CrSe具有反铁磁性,通过Se掺杂可以调控CrTe的磁性、磁各向异性和磁输运性质。本论文主要采用实验研究与理论计算相结合,深入研究了Cr Te、CrTe以及不同浓度Se掺杂CrTe的制备、物性以及磁性和磁输运性质。论文主要研究内容如下:1.首先采用固相反应法生长Cr KTe晶体,再通过碱原子脱嵌,得到1T-Cr Te单晶。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量色散谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）等手段对单晶的结构进行表征。采用超导量子干涉仪（SQUID）进行变温磁性测量,结果表明制备出来的Cr Te晶体具有室温铁磁性,居里温度约为317K,易磁化方向沿ab平面。通过综合物性测量系统（PPMS）对Cr Te晶体的电阻随温度、角度和磁场的变化进行测量,表现出良好的金属行为,其各向异性磁电阻（AMR）比值随温度升高而降低,在5 K时AMR比值为-8.2%。结合第一性原理计算发现单层Cr Te材料仍保持面内磁各向异性,通过施加应力可实现从铁磁到反铁磁性的调控。2.我们采用化学气相输运方法制备高质量CrTe单晶以及不同Se掺杂浓度的Cr(TeSe)（x=0.13、0.25、0.75）单晶材料。通过EDS、XRD、Raman等手段对单晶材料进行结构表征,结果显示CrTe和Cr(TeSe)晶体同属于六方晶系,Se离子部分取代了Te离子位置,晶体结构和对称性没有被破坏。采用SQUID手段对不同Se掺杂的Cr(TeSe)晶体进行变温磁性测量,结果表明低浓度掺杂得到的Cr(TeSe)和Cr(TeSe)晶体在低温下表现出铁磁性,Cr(TeSe)晶体的矫顽力和磁化强度相比CrTe都有所提高,但其居里温度随Se掺杂浓度增加而降低。当体系中Se掺杂浓度继续增加时,测量结果表明Cr(TeSe)晶体的磁性和导电性发生转变,具有反铁磁性和半导体性质。磁输运测量结果表明,5 K时CrTe晶体的AMR为7.3%,少量Se掺杂可以提高AMR效应,但高掺杂浓度使AMR比值大幅度降低,这可能与其磁性和导电性的变化有关。结合第一性原理计算,研究了随着Se掺杂浓度增加,晶格常数、掺杂位置、磁性、态密度及能态密度的变化,给出实验结果的内在机理讨论。