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2D材料

2D材料

金刚石显微镜探测磁力在2D材料中

23 Oct 2020 IsabelleDumé.
基于钻石的纳米显微镜
新的基于钻石的纳米显微镜为2D材料开辟了潜力。 (礼貌:大卫百老汇)

二维材料中的磁性难以表征,因为材料的极端薄性呈现常规技术无效。澳大利亚,俄罗斯和中国的研究人员现在使用了一种称为宽野氮空位(NV)显微镜的新方法,以测量钒三碘化物的磁力强度(VI3),已知在其散装中具有强烈铁磁的2D材料。该技术也可用于研究其他2D磁性材料 - 包括用于未来节能电子设备的一些可能的构建块。

NV显微镜是最近开发的仪器,其使用金刚石中的缺陷作为弱磁场的敏感探针。特别适用于分析范德华材料的样本(即,由通过弱van der Waals力彼此相互作用的原子薄层组成的材料,因为它使研究人员能够实现图像磁畴(所以所有的微观区域磁矩在相同方向上点)在具有亚微米分辨率的单独剥落中。

NV中心作为弱磁场的探测器

在本研究中,研究人员引导 Lloyd Hollenberg.墨尔本大学 使用了由金刚石基板制成的NV显微镜,其具有缺陷的表面层。这些缺陷被称为NV中心,当金刚石晶格中的相邻碳原子用氮原子和空格子部位替换时,它们发生。氮气具有额外的电子,仍然是未配对的,因此表现为孤立的旋转,可以升起,向下或两者叠加。可以通过用激光照射金刚石并记录发射的荧光的强度和“自旋活性”频率来探测这种旋转的状态。

由于NV中心自然地从周围环境中隔离,所以它们的电子的旋转状态不会立即受到周围热波动的影响。因此,它们可以用于检测附近电子或核旋转的极弱的磁场 - 使它们具有高度敏感的磁共振探针,能够监测在几十纳米的距离上的材料中的局部旋转变化。

测量磁场行为

在他们的实验中,Hollenberg和同事们将它们的样品置于VI3 在NV显微镜的缺陷层顶部,用激光激发NV中心,并使用相机以将所得到的荧光图像图像。通过将应用微波场的频率扫过样品(它们放置在低温恒温器中,使得它们可以在4至300 k的温度下重复测量),因此它们获得了所谓的光学检测的磁共振谱他们的样本。

当研究人员在5 k的温度下垂直于它们的样品(+ Z方向)垂直于它们的样品(+ Z方向)时,它们在大多数薄片中观察到磁场方向的完全和突然切换,没有中间部分倒置状态。这种铁磁性持续到两个原子层,而切换仍然突然突然50 k,这是vi3居里温度(即散装材料失去其永磁体的温度)。

VI.是一个成核型硬铁料

在像VI这样的硬磁性材料中3,方向切换过程取决于两个机制之一:域壁的成核或钉扎。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。通过将磁场中的磁性材料样品放置在磁场中并测量其磁化程度的方式来产生这些曲线。

在成核型磁体中,畴壁自由移动。在钉子型磁铁中,顾名思义,他们不断被困。确定超薄vi在播放哪种机制3,Hollenberg和同事施加了短磁性脉冲(约10纳秒长) -Z. 最初被磁化的样品的方向 + Z.  在每个脉冲之后的低磁场中的方向和成像。

得到的结果表明,超薄VI是一个成核型硬铁氧化铁。然而,研究人员还发现2D VI的磁极强度大约是其3D对应的一半。 “这有点令人惊讶,我们目前正在试图了解为什么磁化在2D中较弱,这对应用很重要,”队成员Jean-Philippe Tetienne说。

根据 Artem Oganov.莫斯科的Skolkovo科技学会,本集团的工作可能导致新技术。“就在几年前,科学家怀疑两维磁铁是可能的,“Oganov说,他也是研究团队的一部分。 “随着二维铁磁VI的发现3,出现了一个新的令人兴奋的材料。新的材料类总是意味着将出现新技术,用于研究这些材料并利用它们的性质。”

包括来自巴塞尔大学,南京邮电大学,莫斯科物理与技术,莫斯科物理学和技术研究所,莫斯科理工大学和中国人民大学的研究人员,表示他们现在计划使用他们的NV显微镜研究其他2D磁性材料。他们报告他们的工作 先进的材料.

版权 ©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者