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 3 ).

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 3 être ferromagnétique, mais le couplage intercouche dans la bicouche dépendait de l'ordre d'empilement pour être ferromagnétique ou antiferromagnétique. Les observations faites dans le travail ouvriront la voie à la manipulation du magnétisme 2D avec le contrôle de l'angle de torsion de la couche.

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 3 (où X peut être le chlore, brome ou iode) ont fait l'objet d'une grande attention. De telles structures magnétiques peuvent conduire à un certain nombre de phénomènes émergents, notamment la magnétorésistance à effet tunnel géant, contrôle électrique du magnétisme 2D et génération optique géante de seconde harmonique non réciproque.

Contrairement au triiodure de chrome (CrI 3 ), les chercheurs ont découvert le couplage intercouche dans le tribromure de chrome atomiquement mince (CrBr 3 ) être ferromagnétique. Dans le travail present, Chen et al. donc utilisé in situ la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à balayage polarisé en spin pour établir une corrélation directe entre le couplage magnétique intercouche et les structures d'empilement dans CrBr 3 . L'équipe a d'abord développé CrBr 3 films sur fraîchement clivés, substrats en graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG) utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Ils ont surveillé la surface de l'échantillon pendant la croissance in situ par diffraction d'électrons à haute énergie par réflexion (RHEED). Les motifs RHEED en forme de rayures ont confirmé un film mince monocouche cristallin 2-D de CrBr 3, que Chen et al. vérifié par microscopie à effet tunnel.

Lors d'un dépôt ultérieur, les scientifiques des matériaux ont activé la bicouche CrBr 3 des îles pour former des amas triangulaires périodiquement espacés. La structure cristalline du CrBr 3 molécule contenait des atomes de Cr disposés en réseau en nid d'abeille, entouré d'un octaèdre de six atomes de Br. Ils ont déterminé l'épaisseur de la monocouche à 6,5 Angstrom (Å) en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). La topographie à grande échelle (géométrie de surface) et les images STM résolues atomiquement ont montré une croissance de haute qualité du CrBr 3 films monocouches. L'équipe a mesuré les propriétés magnétiques du film mince à l'aide de mesures STM polarisées en spin et a en outre confirmé l'existence d'un ferromagnétisme. Pour ça, Chen et al. mesuré une série de spectres à effet tunnel (dI/dV) en balayant le champ magnétique d'avant en arrière. L'observation a suggéré que le CrBr épitaxié 3 les monocouches cultivées sur HOPG (graphite pyrolytique hautement orienté) ont maintenu les propriétés ferromagnétiques des semi-conducteurs. Après avoir confirmé la structure atomique et le ferromagnétisme du CrBr monocouche 3, Chen et al. concentré sur le CrBr 3 bicouche.

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 3 , le couplage intercouche était ferromagnétique. Alors que la bicouche empilée de type R a montré un comportement couplé antiferromagnétique dans ses états fondamentaux donnant lieu à deux configurations supplémentaires de magnétisation. Après un examen plus approfondi du couplage intercouche, les scientifiques ont observé le comportement à deux plateaux pour démontrer la transition induite par le champ magnétique du caractère antiferromagnétique au caractère ferromagnétique.

De cette façon, les scientifiques ont démontré un magnétisme intercouche distinct de la bicouche CrBr cultivée en MBE 3 du couplage antiferromagnétique dans l'empilement de type R au couplage ferromagnétique dans l'empilement de type H pour indiquer la large accordabilité du magnétisme à travers les ordres d'empilement des matériaux 2-D. Chen et al. crédité le couplage intercouche en bicouche CrBr 3 à l'interaction de superéchange contrôlée par hybridation directionnelle entre les orbitales p du brome (Br) et les orbitales d du chrome (Cr). Étant donné que les angles de liaison et la distance de liaison du chemin d'échange Cr-Br-Br-Cr dépendaient fortement de l'ordre d'empilement, ils s'attendent à ce que le magnétisme intercouche dépende de la distance intercouche et de la position du site atomique par rapport à la structure d'empilement spécifique.

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 3 échantillons pour comprendre les propriétés distinctement observées du couplage magnétique intercouche. Les chercheurs s'attendent à ce que le principe de travail manipule le magnétisme 2D en créant des textures de spin spatialement dépendantes uniques pour une variété d'applications avec des matériaux vDW.

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