Epitaxie par faisceau moléculaire (MBE) Croissance de monocouche et bicouche CrBr3 sur HOPG (graphite pyrolytique hautement orienté). (A et B) modèles RHEED (diffraction électronique à haute énergie par réflexion) avec les ordres de diffraction indiqués de (A) le substrat HOPG nu et (B) le film CrBr3 cultivé par MBE. (C et D) images STM (Scanning Tunneling Microscopy) de (C) la monocouche CrBr3 avec (D) des îlots bicouches. Les paramètres de balayage étaient les suivants :Vb =1,1 V, I =100 pA, T =5 K pour (C) et Vb =1,5 V, I =100 pA, T =5 K pour (D). (E) Image résolue atomiquement d'une monocouche CrBr3 avec une structure atomique superposée. Les paramètres de balayage étaient les suivants :Vb =1,5 V, I =500 pA, T =5 K. Les constantes de réseau ont été déterminées à 6,3 pour les vecteurs primitifs a et b, compatible avec les valeurs de masse. (F) Illustrations des vues de dessus et de côté de la structure atomique monocouche CrBr3. Les atomes de Cr forment un réseau en nid d'abeille pris en sandwich par des atomes de Br. Dans le treillis en nid d'abeille Cr, les surfaces supérieure et inférieure des atomes de Br forment des triangles simples mais avec une orientation opposée, indiqué par des lignes vertes continues et pointillées, respectivement. (G) Image AFM de monocouche CrBr3 avec une couverture partielle. Un profil de coupe de ligne à travers la monocouche et le substrat nu est représenté avec une hauteur de monocouche d'environ 6,5 . Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aav1937
Les scientifiques des matériaux visent à contrôler la structure cristalline d'un solide, dans une approche puissante pour manipuler leurs propriétés fondamentales. Les chercheurs peuvent réaliser ce contrôle dans les matériaux de van der Waals (vDW) en modifiant l'ordre d'empilement par rotation et translation entre les couches vDW. Dans une étude récente publiée dans Science , Weijong Chen et une équipe de recherche dans les départements interdisciplinaires de physique, matériaux avancés, dispositifs nanoélectroniques et informatique quantique, et la science et l'ingénierie des matériaux en Chine et aux États-Unis ont observé un magnétisme intercouche dépendant de l'empilement dans le tribromure de chrome semi-conducteur magnétique bidimensionnel (CrBr
Ils y sont parvenus grâce à la croissance réussie d'une monocouche et d'une bicouche du matériau en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Les chercheurs ont utilisé la microscopie et la spectroscopie in situ à effet tunnel à balayage polaire pour corréler directement la structure du réseau atomique avec l'ordre magnétique observé. Ils ont observé la monocouche individuelle de CrBr
Comprendre le type d'empilement van der Waals (vdW) est essentiel pour déterminer les propriétés des matériaux vdW en couches. De faibles interactions vdW intercouches peuvent permettre aux scientifiques de contrôler les degrés de liberté de rotation et de translation entre les couches pour créer une multitude de nouveaux matériaux avec des symétries et des fonctionnalités d'empilement distinctes. Alors que les travaux précédents se sont concentrés sur les propriétés électroniques et optiques de l'empilement vdW, les scientifiques ont fait des découvertes récentes du magnétisme dans des matériaux bidimensionnels en utilisant des techniques d'exfoliation mécanique et d'épitaxie moléculaire. Parmi les matériaux magnétiques 2D nouvellement découverts, la famille des trihalogénures de chrome CrX
Effet tunnel polarisé en spin de la monocouche CrBr3. (A) Spectres à effet tunnel polarisés en spin sous des champs magnétiques hors plan positifs et négatifs (± 0,3 T). L'encart illustre la géométrie expérimentale. L'aimantation au sommet de la pointe est supposée être un signal dI/dV de spin up (B) en fonction du champ magnétique. Vb a été fixé à 1,4 V. Le champ magnétique hors plan a été balayé vers le haut (données noires) et vers le bas (données rouges). La boucle d'hystérésis ferromagnétique est délimitée par des lignes continues rectangulaires. Des encarts esquissent les deux configurations de l'alignement d'aimantation entre la pointe Cr et le film monocouche CrBr3. La composante dans le plan de l'aimantation au sommet de la pointe Cr, si seulement, ne contribue pas au contraste magnétique en dI/dV. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aav1937
Contrairement au triiodure de chrome (CrI
Lors d'un dépôt ultérieur, les scientifiques des matériaux ont activé la bicouche CrBr
Couplage ferromagnétique intercouche dans une bicouche empilée de type H CrBr3. (A) Image STM d'un film CrBr3 avec à la fois une région monocouche (1L) et une île bicouche (2L). (B et C) Agrandi, images résolues atomiquement de (B) la région bicouche et (C) sa monocouche inférieure étendue à Vb =1,9 V, indiquant que les couches supérieure et inférieure de la bicouche sont anti-alignées, ou pivoté de 180° (empilement type H). (D) Structure atomique de la bicouche CrBr3, tel que déterminé à partir d'images STM résolues atomiquement. Les mailles élémentaires des couches supérieure et inférieure sont représentées par les triangles pleins magenta et vert, respectivement, correspondant à la surface supérieure des atomes de Br dans chaque feuille monocouche. Ces triangles pleins magenta et vert sont également superposés sur la monocouche et la bicouche en (A). La maille unitaire de la couche supérieure (magenta) est une translation de 0,55a + 0,20b de la couche inférieure (vert). Pour comparaison avec les structures du tableau S2, la structure d'empilement est également représentée avec la surface inférieure des atomes de Br de chaque feuille monocouche sous forme de triangles en pointillés et les atomes de Cr sous forme d'hexagones solides. (E) Effet tunnel polarisé en spin sur la bicouche CrBr3 en fonction du champ magnétique avec une pointe Cr à Vb =1,5 V. Le champ magnétique hors plan a été balayé vers le haut (données noires) et vers le bas (données rouges). Comme celui de la monocouche CrBr3, une boucle d'hystérésis ferromagnétique rectangulaire a été observée avec un champ coercitif de ~45 mT. Les médaillons représentent deux configurations de l'alignement de magnétisation entre la pointe et l'échantillon. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aav1937
Dans les bicouches cultivées en MBE, les scientifiques ont observé des structures d'empilement de type H et R, où le type R maintenait les deux couches alignées dans la même orientation tandis que le type H permettait une rotation de 180 degrés entre les bicouches. Les alignements structuraux ont donné lieu à un couplage magnétique intercouche distinct. Par exemple, en bicouche empilée de type H CrBr
De cette façon, les scientifiques ont démontré un magnétisme intercouche distinct de la bicouche CrBr cultivée en MBE
Couplage antiferromagnétique intercouche dans une bicouche empilée de type R CrBr3. (A) Image STM d'un film CrBr3 avec à la fois une région monocouche (1L) et une île bicouche (2L). (B et C) Images résolues atomiquement de (B) la monocouche et (C) la bicouche. Vb =1,9 V. La configuration d'empilement dans la bicouche est identifiée comme de type R, c'est à dire., les couches supérieure et inférieure sont dans la même orientation. (D) Structure atomique de la bicouche CrBr3, tel que déterminé à partir d'images STM résolues atomiquement. La maille élémentaire de la couche supérieure (magenta) est translatée de 0,48a + 0,48b à partir de la couche inférieure (vert). (E) Effet tunnel polarisé en spin sur une bicouche empilée CrBr3 de type R avec une pointe en Cr à Vb =1,5 V. Les encarts montrent quatre configurations de magnétisation, y compris la pointe Cr et la bicouche CrBr3, correspondant à différents plateaux dI/dV dépendants du champ magnétique. Le champ magnétique hors plan a été balayé vers le haut (données noires) et vers le bas (données rouges). (F) Effet tunnel dépendant du spin sur la bicouche CrBr3 en (C) avec une pointe W non magnétique à Vb =1,5 V. Une diminution brutale du signal dI/dV a été observée à des champs magnétiques de ~ ± 0,5 T, suggérant un couplage antiferromagnétique intercouche à ± 0,5 T. Crédit:Science, doi:10.1126/science.aav1937.
Alors que les mécanismes exacts de croissance restent à étudier, Chen et al. a illustré l'importance du polytypisme (polymorphisme ou variété) dans les matériaux vDW et son rôle dans le magnétisme 2D. Le nouveau travail appelle à examiner de près les structures d'empilement dans le CrX exfolié mécaniquement
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