Магнитные 2D материалы

Магнитные 2D-материалы или магнитные материалы Ван-дер-Ваальса — это двумерные материалы , которые проявляют упорядоченные магнитные свойства, такие как антиферромагнетизм или ферромагнетизм . После открытия графена в 2004 году семейство двумерных материалов быстро разрослось. С тех пор появились сообщения о нескольких родственных материалах, за исключением магнитных. Но с 2016 года появилось множество сообщений о двумерных магнитных материалах, которые можно легко расслаивать, как графен.

Первый многослойный ван-дер-ваальсов магнетизм был обнаружен в 2017 г. (Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , и КрИ ₃ ). Одна из причин этого, казалось бы, позднего открытия заключается в том, что тепловые флуктуации имеют тенденцию разрушать магнитный порядок в двумерных магнитах легче, чем в объемных трехмерных. В обществе также общепринято, что низкоразмерные материалы имеют магнитные свойства, отличные от объемных. Академический интерес к возможности измерения перехода от трехмерного к двумерному магнетизму стал движущей силой большинства недавних работ по магнитам Ван-дер-Ваальса. С тех пор столь ожидаемый переход наблюдался как в антиферромагнетиках, так и в ферромагнетиках: FePS ₃ , Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , КрИ ₃ , НиПС ₃ , МнПС ₃ , Fe ₃ GeTe ₂

Хотя эта область существует только с 2016 года, она стала одной из наиболее активных областей в физике конденсированного состояния, материаловедении и технике. Было написано несколько обзорных статей, в которых освещалось его будущее и перспективы.

Обзор

Магнитные материалы Ван-дер-Ваальса — новое дополнение к растущему списку 2D-материалов . Особенностью этих новых материалов является то, что они проявляют основное магнитное состояние, антиферромагнитное или ферромагнитное, когда они утончаются до очень небольшого количества листов или даже одного слоя материалов. Другая, вероятно, более важная особенность этих материалов заключается в том, что их можно легко изготавливать в несколько слоев или в монослойную форму с использованием простых средств, таких как скотч, что довольно редко встречается среди других магнитных материалов, таких как оксидные магниты.

Интерес к этим материалам основан на возможности легкого производства двумерных магнитных материалов. Эта область началась с серии статей в 2016 году с концептуального документа. и первая экспериментальная демонстрация. Область была расширена еще больше с публикацией аналогичных наблюдений в ферромагнетизме в следующем году. С тех пор было обнаружено несколько новых материалов и опубликовано несколько обзорных статей.

Теория

Магнитные материалы имеют свои ( спины ) выровненные по макроскопическому масштабу длины. Выравнивание спинов обычно обусловлено обменным взаимодействием между соседними спинами. В то время как при абсолютном нуле ( $T=0$) выравнивание может существовать всегда, тепловые флуктуации смещают магнитные моменты при температурах выше температуры Кюри ( $T_{C}$), вызывая фазовый переход в немагнитное состояние. Ли $T_{C}$ выше абсолютного нуля, сильно зависит от размеров системы.

Для 3D-системы температура Кюри всегда выше нуля, тогда как одномерная система может находиться только в ферромагнитном состоянии при $T=0$

Для 2D-систем температура перехода зависит от размерности спина ( $n$). В системе с $n=1$плоские спины могут быть ориентированы как в плоскости, так и вне ее. Размерность спина, равная двум, означает, что спины могут быть направлены в любом направлении, параллельном плоскости. Система с трехмерностью спина означает отсутствие ограничений на направление вращения. Система с $n=1$ описывается 2D-моделью Изинга . Решение Онсагера модели демонстрирует, что $T_{C}>0$, что обеспечивает магнетизм при достижимых температурах. Напротив, бесконечная система, в которой $n=3$, описываемый изотропной моделью Гейзенберга , не проявляет магнетизма при любой конечной температуре. Дальнее упорядочение спинов в бесконечной системе предотвращается теоремой Мермина-Вагнера, утверждающей, что спонтанное нарушение симметрии, необходимое для магнетизма, невозможно в изотропных двумерных магнитных системах. Спиновые волны в этом случае имеют конечную плотность состояний , являются бесщелевыми и поэтому легко возбуждаются, разрушая магнитный порядок. Следовательно, для материалов с $n=3$ продемонстрировать магнетизм.

Двумерная модель Изинга описывает поведение FePS ₃ : КрИ ₃ . и Fe ₃ GeTe ₂ , а Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ и МнПС ₃ ведет себя как изотропная модель Гейзенберга. Собственная анизотропия в CrI ₃ и Fe ₃ GeTe ₂ вызвана сильной спин-орбитальной связью , что позволяет им оставаться магнитными вплоть до монослоя , тогда как Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ проявляет магнетизм только в виде двухслоя или толще. Модель XY описывает случай, когда $n=2$. В этой системе нет перехода между упорядоченным и неупорядоченным состояниями, а вместо этого система претерпевает так называемый переход Костерлица – Таулеса при конечной температуре. $T_{KT}$, где при температуре ниже $T_{KT}$ система имеет квазидальний магнитный порядок. Сообщалось, что теоретические предсказания модели XY согласуются с экспериментальными наблюдениями NiPS _3. Модель Гейзенберга описывает случай, когда $n=3$. В этой системе нет перехода между упорядоченным и неупорядоченным состояниями из-за теоремы Мермина-Вагнера . Сообщалось об экспериментальной реализации модели Гейзенберга с использованием MnPS ₃ .

Вышеупомянутые системы можно описать обобщенным спиновым гамильтонианом Гейзенберга :

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

Где $J$ это обменная связь между спинами $\mathbf {S} _{i}$ и $\mathbf {S} _{j}$, и $A$ и $\Lambda$ — локальная и межсайтовая магнитная анизотропия соответственно. Параметр $A\rightarrow \pm \infty$ восстановил 2D-модель Изинга и модель XY. (положительный знак для $n=1$ и отрицательный для $n=2$), пока $A\approx 0$ и $\Lambda \approx 0$ восстанавливает модель Гейзенберга ( $n=3$). Наряду с описанными выше идеализированными моделями для большинства экспериментальных установок можно использовать спиновый гамильтониан. а также он может моделировать диполь-дипольные взаимодействия путем перенормировки параметра $A$. включение дополнительных соседей или использование другого обменного взаимодействия, например антисимметричного обмена . Однако иногда требуется

Измерение двумерного магнетизма

Магнитные свойства двумерных материалов обычно измеряются с помощью рамановской спектроскопии , магнитооптического эффекта Керра , магнитного кругового дихроизма или методов аномального эффекта Холла . Размерность системы можно определить путем измерения масштабного поведения намагниченности ( $M$), восприимчивость ( $\chi$) или длина корреляции ( $\xi$) в зависимости от температуры. Соответствующие критические показатели равны $\beta$, $\gamma$ и $v$ соответственно. Их можно получить, установив

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

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

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

к данным. Критические показатели зависят от системы и ее размерности, как показано в таблице 1. Поэтому резкое изменение любого из критических показателей указывает на переход между двумя моделями. Кроме того, температуру Кюри можно измерить как функцию количества слоев ( $N$). Это соотношение для большого $N$ дается

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

где $C$ является константой, зависящей от материала. Для тонких слоев поведение меняется на $T_{\text{C}}\propto N$

Таблица 1: Критические показатели для двух- и трехмерных моделей Изинга

Модель	$\beta$	$\gamma$	$v$
2D Изинг	0.125	1.75	1
3D Изинг	0.3265	1.237	0.630

Приложения

Магнитные 2D-материалы могут использоваться в составе гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Это слоистые материалы, состоящие из различных 2D-материалов, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса . Одним из примеров такой структуры является тонкий изолирующий/полупроводниковый слой между слоями двумерного магнитного материала, образующий магнитный туннельный переход . Эта структура может иметь значительный спинового клапана , эффект и, таким образом, они могут иметь множество применений в области спинтроники . Другое новое направление возникло в результате довольно неожиданного наблюдения магнитного экситона в NiPS _3.