Les scientifiques du NUS ont démontré une approche générale pour caractériser la structure atomique et les propriétés électroniques et magnétiques des isolants magnétiques bidimensionnels (2-D) en utilisant la microscopie à balayage tunnel.

La découverte récente des aimants 2D et le développement de l'ingénierie des hétérostructures van der Waals (vdW) offrent des opportunités sans précédent non seulement pour explorer la physique passionnante du magnétisme dans des dimensions réduites, mais aussi pour développer des dispositifs spintroniques de nouvelle génération pour les applications de la technologie quantique. D'autres développements dans ce domaine impliquent la compréhension au niveau atomique des propriétés électroniques et magnétiques des aimants 2D et de leurs hétérostructures. Malheureusement, l'application directe des techniques conventionnelles de microscopie à effet tunnel (STM) pour en savoir plus sur les propriétés des matériaux ne fonctionne pas bien pour les isolants magnétiques 2D. L'imagerie STM repose sur l'effet tunnel quantique, grâce à quoi les électrons passent de la pointe atomiquement acérée aux échantillons conducteurs ou vice versa. Elle ne peut s'appliquer à l'étude des matériaux isolants massifs car il n'y a pas de chemin conducteur.

Une équipe de recherche NUS dirigée par le professeur Jiong Lu du département de chimie, NUS a démontré l'application de STM pour étudier l'iodure de chrome (III) antiferromagnétique isolant (CrI 3 ) cristaux en les incorporant avec des hétérostructures vdW à base de graphène (voir la figure). Ce travail est en collaboration avec le professeur Kostya S. Novoselov du Département de science et génie des matériaux, NOUS. Leur technique étend les capacités du STM en lui permettant d'étudier les matériaux isolants pour mieux comprendre l'ordre magnétique dans les aimants 2D.

En coiffant le matériau à l'étude d'une seule couche de graphène, l'équipe de recherche est capable d'obtenir l'ordre d'empilement et le couplage magnétique intercouche du CrI exfolié 3 qui est de quelques couches d'épaisseur en utilisant l'imagerie STM dans des conditions de basse température. Ils ont également identifié la structure magnétique et démontré que l'imagerie STM peut distinguer les structures ferromagnétiques et antiferromagnétiques de CrI. 3 (quelques couches épaisses). Cela est dû à l'interaction particulière des états magnétiques avec le graphène superposé.

Le professeur Lu a dit, « Notre approche est de nature générale, et cela représente une percée dans le domaine de la caractérisation à l'échelle atomique de la structure atomique, propriétés électroniques et magnétiques de divers isolants magnétiques et de leurs hétérostructures vdW. Il peut faciliter le développement d'isolateurs magnétiques 2D pour les dispositifs spintroniques de nouvelle génération