二维碲化物晶片的磁电阻研究

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物质的磁性来自于电子的运动和自旋,以磁为核心的原理已经在磁存储和生物医学等领域引起了多次革新,其中各向异性磁电阻(Anisotropic magnetoresistance,AMR)效应是重要的组成部分。磁学领域的研究不仅限于材料和技术,还一直在探索更加稳定、快速和更低能耗的应用器件。最近超薄二维磁性范德瓦尔斯薄膜为可控原子层厚度新型自旋电子学器件和缩小器件尺寸带来了新的希望。超低能量非易失性存储器有望实现大的磁电阻变化,高开关速度。二维自旋电子器件的应用与二维材料的室温磁稳定性有至关重要的联系,大量研究表明碲化铬(Chromium telluride,Cr-Te)化合物以及Fe3GeTe2三元化合物具有较高的居里温度、良好的金属性。多个研究表明他们皆是具有六方晶体结构的巡游铁磁体。本文系统的研究了它们这两种化合物晶片的制备、晶体结构、本征磁性和各向异性磁电阻,主要内容如下:1.首先我们采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)的方法制备出CrTe晶片,在光学显微镜下呈表面平整、形状规则的六边形晶状。通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、拉曼、X射线能量色散谱(Energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)等表征,结合第一性原理计算,表明CrTe单晶纳米晶片属于P63/mmc空间群结构。稳定结构是六方砷化镍(NiAs)结构,原子组成中铬和碲原子的比例接近1:1。采用CVD生长单晶片可以直接生长在SiO2衬底上,无需剥离和转移,从而减少了对样品的损伤。对单个晶片中的电阻的温度依赖性、电阻的磁场依赖性的测量,特别是各向异性磁电阻的测量,这方面的研究尚未见报道。研究发现厚度为46 nm的CrTe纳米晶片显示铁磁-顺磁转变温度Tc为250 K左右,AMR比随温度降低而增加,在5 K时大于5.2%,与3d过渡金属化合物具有相同的数量级。并且CrTe晶片具有垂直磁各向异性(Perpendicular magnetic anisotropy,PMA)。自旋波(磁振子)对导电电子的散射在磁阻机制中起着重要作用。2.我们采用化学气相输运(Chemical vapor transport,CVT)的方法制备了Fe3GeTe2三元范德华(van der Waals,vd W)晶体的块体材料。通过XRD和EDS对制备的块体进行了结构和元素分析,结果显示Fe、Ge、Te原子个数比非常接近Fe:Ge:Te=3:1:2。六个[001]方向的特征峰表明Fe3GeTe2属于六方晶系P63/mmc空间群结构。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)观察块体剥离下的层状薄膜表面形貌。综合物性测量系统(Physical property measurement system,PPMS)对厚度为100 nm的Fe3GeTe2晶片的电输运测量结果显示,其居里温度在200 K左右,纳米晶片为垂直方向易磁化。Fe3GeTe2晶片在所有的测量温度下,磁场H垂直样品面时的电阻Rxx总是大于H平行时,表现出负的AMR,在5 K时约为-0.4%,而在50 K时观察到最大值约为-1%,温度增高AMR比的绝对值减小。
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