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2D材料

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钻石显微镜探测2D材料中的磁性

金刚石基纳米显微镜
新的基于金刚石的纳米显微镜为2D材料打开了潜力。 (礼貌:大卫·百老汇)

二维材料的磁性很难表征,因为材料的极薄性使常规技术无效。澳大利亚,俄罗斯和中国的研究人员现已使用一种称为宽视野氮空位(NV)显微镜的新方法来测量三碘化钒(VI3),这是一种2D材料,在其整体3D形式中已知具有强铁磁性。该技术还可以用于研究其他2D磁性材料-包括一些将来的节能电子设备的可能构造块。

NV显微镜是最近开发的一种仪器,利用金刚石中的缺陷作为弱磁场的敏感探针。它特别适合分析范德华材料(即由原子薄层构成的材料,它们通过弱范德华力相互作用的材料)的样品,因为它使研究人员能够对磁畴(微观区域中所有单个磁片中的磁矩指向同一方向),分辨率为亚微米。

NV以弱磁场探测器为中心

在本研究中,由 劳埃德·霍伦伯格墨尔本大学 使用了由具有缺陷表面层的金刚石基底制成的NV显微镜。这些缺陷被称为NV中心,当钻石晶格中相邻的碳原子被氮原子和空的晶格位取代时,就会发生这些缺陷。氮具有一个不成对的多余电子,因此表现为孤立的自旋,可以向上,向下或两者叠加。可以通过用激光照射钻石并记录所发射荧光的强度和“自旋活性”频率来探测自旋状态。

由于NV中心与周围环境自然隔离,因此其电子的自旋状态不会立即受到周围温度波动的影响。因此,它们可用于检测附近的电子或核自旋产生的非常弱的磁场-使它们成为磁共振的高灵敏度探针,能够监视几十纳米距离内材料中的局部自旋变化。

测量磁场行为

在实验中,Hollenberg及其同事放置了VI的样本3 在NV显微镜缺陷层的顶部,用激光激发NV中心,并使用相机成像所产生的荧光。通过扫描样品上施加的微波场的频率(将其放置在低温恒温器中,以便他们可以在4到300 K的温度范围内重复进行测量),他们获得了被称为光学检测的磁共振波谱。他们的样本。

当研究人员在5 K的温度下垂直于样品(+ z方向)施加0.5到1 Tesla的磁场时,他们观察到大多数薄片中磁场方向完全突然变化,中间没有部分反转。州。这种铁磁性一直持续到两个原子层,而切换却突然上升到50 K,这就是VI3的居里温度(即散装材料失去其永久磁性的温度)。

是成核型硬铁磁体

在VI等硬磁性材料中3,方向转换过程取决于两种机制之一:畴壁成核或固定。在散装材料中,这些机制通常可以通过其初始磁化曲线来区分。通过将磁性材料的样本放在磁场中并测量其磁化强度如何增加来生成这些曲线。

在成核型磁体中,畴壁自由移动。顾名思义,在钉扎型磁铁中,它们不断被捕获。确定哪种类型的机制在超薄VI中发挥作用3,Hollenberg及其同事将短电磁脉冲(长约10纳秒)施加在 -z 指向最初被磁化的样品的方向 + z 方向,并在每个脉冲后在低磁场中成像。

获得的结果表明,超薄VI是成核型硬铁磁体。但是,研究人员还发现2D 六的磁强度大约是3D同类产品的一半。团队成员Jean-Philippe Tetienne说:“这令人惊讶,我们目前正在尝试理解为什么2D的磁化强度较弱,这对于应用而言很重要。”

根据 奥特诺夫(Artem Oganov)莫斯科斯科尔科沃科技学院,该小组的工作可能会带来新技术。“就在几年前,科学家还怀疑二维磁体根本不可能。”奥加诺夫说,他也是研究团队的一员。 “随着二维铁磁VI的发现3,出现了一种令人兴奋的新材料。新的材料类别始终意味着将出现新技术,以研究此类材料并利用其特性。”

该小组的成员包括来自巴塞尔大学,皇家墨尔本理工大学,南京邮电大学,莫斯科物理技术学院,西北工业大学和中国人民大学的研究人员,他们表示现在计划使用NV显微镜。研究其他2D磁性材料。他们报告他们的工作 先进材料.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者