二维VSe2磁性及其应变调控研究

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原子薄的二维(2D)范德华材料具有新颖的物理效应,柔性的特点以及高密度集成的潜力,已经引起了基础研究和技术应用的极大兴趣。其中,2D磁性材料的磁序能够被层数和层间耦合机制调控,这种特征在体相中是不存在的。因此,2D磁性材料是研究低维自旋电子学极好的体系。然而,大多数2D材料并非具有本征铁磁性,如早期研究者通过磁性元素掺杂实现2D铁磁。近几年,高质量原子薄的Cr I3、Cr Ge Te3、Fe3Ge Te2的成功制备,掀起了本征二维磁性材料的研究热潮,然而,这些材料大多数都是低通量制备且不具有空气稳定性,使得它们的直接合成和后处理加工变得更加困难,同时,较低的居里温度也限制了其实际应用。因此,实现空气稳定且居里温度高于室温的2D本征铁磁性材料的高通量制备非常重要。此外,二维层状铁磁材料的磁性能够被外场(电场和应力场)调控,如:门电压诱导电子掺杂提高居里温度Tc,压力改变层堆垛构型诱导磁相变,拉应力改变磁各向异性能实现磁反转等。这将为二维磁性材料在电控自旋器件以及应力传感器等领域的应用提供了巨大机会,说明了二维磁性的调控非常有意义。2D VSe2作为一种层状铁磁性材料,其居里温度远高于室温,而且理论计算预测应力可有效调控单层VSe2的磁性,因而具有很高的研究价值。目前,对于二维VSe2磁性的研究仍处于起步阶段,尤其是应力对其磁性调控的实验工作并没有报道。基于此,本论文主要开展了以下几方面的研究:(1)通过化学气相沉积(CVD)高通量制备2D VSe2,研究了其形貌厚度随不同生长条件(温度、源与基片之间的距离、原料供应量、载气流量等)的变化规律。结果发现生长温度为540~550°C,源基距在16~20 cm是最佳生长窗口,在此条件下,可以获得尺寸均匀(~50 um),厚度超薄(~4 nm),形貌平整的2D VSe2单晶纳米片,为后续其磁性研究提供了材料保障。(2)系统探究了VSe2的面内面外磁性随温度的变化规律,以及微观磁畴对厚度的依赖关系。宏观磁性结果发现VSe2的居里温度(Tc)约为320 K,饱和磁化强度随温度的升高而减小,矫顽场随温度升高整体呈现减小的趋势,在70 K左右出现反常增大,原因是由于电荷密度波(CDW)转变;VSe2纳米片的微观磁性表征显示其磁畴信号在厚度接近单层时最强,两层时急剧下降,当厚度达到十层以上,磁畴信号几乎消失,该结果证实了随着厚度的增加VSe2的磁性由铁磁态转变为顺磁态。(3)探索了应力对VSe2磁性的调控规律。结果表明,无论在拉应力还是压应力作用下,VSe2始终保持铁磁有序,这是由于在应力作用下,决定铁磁耦合的键相互作用始终占据主导地位。此外,施加拉应力,VSe2磁矩增大,矫顽场减小,施加压应力,磁矩略微减小,矫顽场基本没有变化,原因是在施加拉应力时,V、Se原子间距增大,使V-Se离子相互作用强于共价相互作用,未成对电子数目增多,造成磁矩增大,而施加压应力时,V、Se间距减小,共价作用增强,未成对电子数目减少,造成磁矩减小。
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