作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 分子束外延在高定向热解石墨上生长三溴化铬单层和双层
(一)和(二)反射高能电子衍射图，其衍射级为(一)裸HOPG衬底和(二)分子束外延生长的CrBr3薄膜
扫描隧道显微镜(STM)图像(C)的CrBr3单层与(D)双层岛
扫描参数如下:Vb = 1
1伏，电流= 100帕，温度= 5千(摄氏度)，电压= 1
5伏，输入= 100帕，输出= 5千欧
具有重叠原子结构的单层CrBr3的原子分辨图像
扫描参数如下:Vb = 1
5伏，输入= 500帕，输出= 5千欧
晶格常数测定为6
3ǻ为原始矢量a和b，与体值一致
单层CrBr3原子结构的俯视图和侧视图
铬原子形成被溴原子夹在中间的蜂窝状晶格
在铬蜂窝晶格中，溴原子的顶面和底面形成单个三角形，但方向相反，分别用绿色实线和绿色虚线表示
(7)部分覆盖的单层CrBr3原子力显微镜图像
单层和裸衬底的剖面线显示单层高度约为6
五
学分:理科，doi: 10
1126/科学
aav1937 材料科学家的目标是控制固体的晶体结构——用一种强有力的方法来操纵它们的基本性质
研究人员可以通过在范德瓦尔斯(vDW)材料层之间旋转和平移来改变堆叠顺序，从而实现对材料的这种控制
在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，陈伟忠和他的团队在中国和美国的物理、先进材料、纳米电子器件和量子计算以及材料科学与工程等跨学科部门进行了研究
S
在二维磁性半导体三溴化铬(CrBr3)中观察到的与堆垛相关的层间磁性
他们通过使用分子束外延成功生长单层和双层材料来实现这一点
研究人员使用原位自旋极化扫描隧道显微镜和光谱学将原子晶格结构与观察到的磁有序直接联系起来
他们观察到CrBr3的单个单层是铁磁性的，但是双层中的层间耦合取决于堆叠顺序是铁磁性还是反铁磁性
在工作中所做的观察将为利用层扭转角控制来操纵二维磁性铺平道路
了解范德瓦尔斯(vdW)叠加的类型对于确定层状vdW材料的性质至关重要
微弱的层间vdW相互作用可以让科学家控制层间的旋转和平移自由度，从而创造出大量具有不同堆积对称性和功能性的新材料
尽管之前的工作主要集中在vdW堆垛层错的电子和光学特性上，但科学家们最近利用机械剥离和分子外延技术在二维材料中发现了磁性
在新发现的二维磁性材料中，三卤化铬CrX3家族(其中X可以是氯、溴或碘)受到了极大的关注
这种磁性结构可以导致许多新出现的现象，包括巨隧道磁阻、二维磁性的电控制和巨非互易光学二次谐波产生
单层CrBr3的自旋极化隧穿
(一)正负面外磁场下的自旋极化隧穿光谱(0
3吨)
插图说明了实验几何
假设尖端的磁化强度是作为磁场的函数的自旋向上(B) dI/dV信号
Vb被固定为1
4伏
面外磁场向上扫描(黑色数据)和向下扫描(红色数据)
铁磁磁滞回线用矩形实线表示
插图描绘了铬针尖和单层铬硼薄膜之间磁化排列的两种构型
铬尖顶点的平面内磁化分量(如果有的话)不会对dI/dV中的磁对比度产生影响
学分:理科，doi: 10
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aav1937 与三碘化铬(CrI3)相反，研究人员发现原子级三溴化铬(CrBr3)的层间耦合是铁磁性的
在目前的工作中，陈等人
因此使用原位自旋极化扫描隧道显微镜和光谱学来建立CrBr3中层间磁耦合和堆叠结构之间的直接关联
该团队最初使用分子束外延技术在新劈开的高定向热解石墨(HOPG)衬底上生长CrBr3薄膜
他们用反射高能电子衍射在原位生长过程中监测样品表面
条纹状的RHEED图案证实了CrBr3的二维结晶单层薄膜
使用扫描隧道显微镜进行验证
在进一步的沉积中，材料科学家使双层CrBr3岛形成周期性间隔的三角形簇
CrBr3分子的晶体结构包含排列成蜂窝状晶格的铬原子，周围是六个溴原子的八面体
他们确定单层的厚度为6
5埃(使用原子力显微镜)
大尺度形貌(表面几何形状)和原子分辨扫描隧道显微镜图像都显示出高质量的CrBr3单层膜的生长
该小组使用自旋极化扫描隧道显微镜测量了薄膜的磁性，并进一步证实了铁磁性的存在
为此，陈等人
通过来回扫描磁场来测量一系列隧道光谱(dI/dV)
观察结果表明，生长在高取向热解石墨上的外延三氧化二铬单层保持了半导体的铁磁性
在确定了单层CrBr3的原子结构和铁磁性后，陈等
聚焦于CrBr3双层
H型叠层双层CrBr3中的层间铁磁耦合
具有单层(1L)区和双层(2L)岛的三氟化铬薄膜的扫描隧道显微镜图像
(乙和丙)放大，原子分辨图像(乙)的双层区域和(丙)其扩展底部单层在Vb = 1
9 V，表示双层中的顶层和底层是反对齐的，或者旋转了180°(H型堆叠)
根据原子分辨扫描隧道显微镜图像确定的双层三价铬的原子结构
顶层和底层的单位单元分别由洋红色和绿色实心三角形表示，对应于每个单层片中溴原子的顶面
这些洋红色和绿色实心三角形也覆盖在(A)中的单层和双层上
顶层(洋红色)的单位是0的平移
55a + 0
20b(绿色)
为了与表S2中的结构进行比较，还显示了堆叠结构，其中每个单层片的溴原子的底面为点三角形，铬原子为实心六边形
Vb = 1时双层CrBr3上的自旋极化隧穿与磁场的关系
5伏
面外磁场向上扫描(黑色数据)和向下扫描(红色数据)
与单层CrBr3类似，在矫顽场约为45 mT时观察到一个矩形铁磁磁滞回线
插图描述了尖端和样品之间磁化排列的两种配置
学分:理科，doi: 10
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aav1937 在分子束外延生长的双层中，科学家观察到了氢型和R型堆叠结构，其中R型保持两层在相同的方向上对齐，而H型允许双层之间旋转180度
结构排列导致明显的层间磁耦合
例如，在H型堆叠双层CrBr3中，层间耦合是铁磁的
而R型堆叠双层在其基态表现出反铁磁耦合行为，导致两种附加的磁化配置
在进一步检查层间耦合时，科学家观察到双平台行为，以证明磁场驱动的从反铁磁到铁磁特性的转变
通过这种方式，科学家们证明了分子束外延生长的双层CrBr3的独特的层间磁性，从R型堆叠中的反铁磁耦合到H型堆叠中的铁磁耦合，以表明二维材料堆叠顺序中磁性的宽可调性
陈等
将双层CrBr3中的层间耦合归因于由溴的p轨道和铬的d轨道之间的定向杂化控制的超交换相互作用
因为铬-溴-溴-铬交换路径的键角和键距离强烈地依赖于堆叠顺序，他们期望层间磁性依赖于层间距离和相对于特定堆叠结构的原子位置
R型叠层双层CrBr3中的层间反铁磁耦合
具有单层(1L)区和双层(2L)岛的三氟化铬薄膜的扫描隧道显微镜图像
单层和双层的原子分辨图像
Vb = 1
9伏
双层中的堆叠构型被确定为R型，即
e
，顶层和底层的方向相同
根据原子分辨扫描隧道显微镜图像确定的双层三价铬的原子结构
顶层的单位单元(洋红色)平移0
48a + 0
48b(绿色)
Vb = 1时铬尖为γ型的双层堆迭CrBr3上的自旋极化隧穿
5伏
插图显示了四种磁化配置，包括铬尖和双层铬硼层3，对应于不同的磁场相关的dI/dV平台
面外磁场向上扫描(黑色数据)和向下扫描(红色数据)
Vb = 1时(C)中双层CrBr3的自旋相关隧穿
5伏
在~ 0°磁场下观察到dI/dV信号的突然下降
5 T，表明层间反铁磁耦合在0
5吨
学分:理科，doi: 10
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aav1937
虽然确切的生长机制还有待研究，陈等人
阐明了多型性(多态性或多样性)在vDW材料中的重要性及其在二维磁性中的作用
这项新工作要求仔细检查机械剥离的CrX3样品中的堆叠结构，以了解清楚观察到的层间磁耦合特性
研究人员希望这种工作原理能够通过设计独特的空间相关自旋结构来操纵二维磁性，以用于各种vDW材料的应用
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