磁性二维材料CrI 3 的光学特性研究
发布时间：2021-11-27 01:16
根据Mermin–Wagner定理:在非零温度下,二维体系中不可能存在长程磁序,但是近年来CrI3、Cr2Ge2Te6和Fe3GeTe2等二维本征磁性材料的发现打破了这一观点。二维磁性材料的出现弥补了传统二维材料的不足,为研究二维范德华分子晶体中的磁光效应和自旋操纵提供了新的机遇。块体CrI3是典型的铁磁体,居里温度（Tc）约为61 K,CrI3的铁磁性在单层极限下依旧存在,单层CrI3的磁性来源于Cr3+极强的磁各向异性,Cr3+的磁矩在同一层内一致朝向平面外,CrI3相邻层之间为反铁磁耦合,相邻两层CrI3的Cr3+的磁矩相对排列,使得双层CrI3呈现出反铁磁性。CrI3凭借其独特的层数依赖磁序,在自旋电子学、数据...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同层数CrI3样品的磁光克尔转角[21]
第一章绪论5图1-2少层Cr2Ge2Te6样品与其磁光克尔转角二维彩图。(a)少层Cr2Ge2Te6样品在260nm的SiO2/Si基底上的光学显微照片；磁光克尔角在温度为(b)40K；(c)28K；(d)22K与(d)4.7K时的二维彩图[22]1.2.3铁锗碲二维本征磁性材料CrI3和Cr2Ge2Te6的出现壮大了二维材料家族，极大地激起了科研工作者们的兴趣，但是CrI3和Cr2Ge2Te6的一些性质却严重限制了两者在小型自旋电子器件领域的应用。少层CrI3和Cr2Ge2Te6晶体的Tc都比较低，远远低于室温，且二者在空气中都不稳定，这使得制备使用两种材料的自旋电子器件的条件十分苛刻，不利于推广应用，另外，CrI3和Cr2Ge2Te6都是绝缘体，使得器件的应用范围也不够大。寻找空气中稳定存在，且居里温度较高的二维磁性材料已经迫在眉睫。2018年，Y.Deng等人宣布发现了一种新型的二维磁性材料Fe3GeTe2晶体，块体Fe3GeTe2晶体使用化学气相沉积制备，得到块体材料后，不同于以往的微机械剥离法使用胶带反复撕开块体材料从而获得较薄的二维材料，为了获得更加平整的，面积更大的二维磁性材料，Y.Deng等人受使用金介质剥离过渡族金属硫化物的启发[26,27]，使用Al2O3薄膜辅助剥离的方法获得少层Fe3GeTe2样品，剥离少层Fe3GeTe2样品的具体过程如图1-3所示。Al2O3与Fe3GeTe2之间的粘附力较大，使用这种方法能够更加有效地解离二维材料，且解离出来的薄膜质量较高，为其他二维磁性材料样品的制备获取提供了思路。
电子科技大学硕士学位论文6图1-3少层Fe3GeTe2样品的制备过程[23]实验表明，单层的Fe3GeTe2样品在低温下仍具有长程的铁磁序以及面外的磁各向异性。更加重要的是，Y.Deng等人使用了锂离子插层Fe3GeTe2薄层，使得Fe3GeTe2薄层样品的铁磁转变温度提高到室温以上，远高于块体的Fe3GeTe2晶体的Tc，Tc可以调控到室温以上为未来使用该材料制作电子器件提供了无限可能。磁性二维材料CrI3，Cr2Ge2Te6与Fe3GeTe2的发现，打开了二维体系中本征长程磁有序的大门，使得二维材料不再因为本征磁性的缺失而在自旋电子器件领域束手束脚。其中CrI3因其晶体独特的层间反铁磁耦合更是吸引了广大研究者们的兴趣，本文的主要工作集中在对少层CrI3材料的研究上，现介绍国内外关于磁性二维材料CrI3的研究与进展。1.3磁性二维材料CrI3的研究与进展1.3.1CrI3的层间堆叠结构与磁序单层CrI3的晶体结构如图1-3(a)所示，六个I-构成正八面体，Cr3+处于正八面体的正中心，I-组成的正八面体进行共边连接，从而形成层状的蜂窝状晶格结构，CrI3晶体内部层与层之间依靠范德华力相结合，M.A.McGuire等人通过X射线衍射测试发现在常温下[24]，块体CrI3晶体层与层之间的堆叠结构为单斜堆叠，如图1-4(b)所示，当冷却到220K以下，块体CrI3晶体发生相变，其层间堆叠结构也发生变化，转变为菱方堆叠结构，如图1-4(c)所示，CrI3晶体两种堆叠方式中单层CrI3的晶体结构是相同的，层与层之间的相对平移距离不同导致了堆叠结构的变化。S.Djurdji-Mijin等人使用拉曼光谱对CrI3单晶的晶格振动进行了研究[28]，根据晶体结构与拉曼张量一一对应的关系，分析发现CrI3单晶的晶体结构变化与之前所报道的一致，高温相为单斜堆叠，低温相为菱方堆
本文编号：3521304
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同层数CrI3样品的磁光克尔转角[21]
第一章绪论5图1-2少层Cr2Ge2Te6样品与其磁光克尔转角二维彩图。(a)少层Cr2Ge2Te6样品在260nm的SiO2/Si基底上的光学显微照片；磁光克尔角在温度为(b)40K；(c)28K；(d)22K与(d)4.7K时的二维彩图[22]1.2.3铁锗碲二维本征磁性材料CrI3和Cr2Ge2Te6的出现壮大了二维材料家族，极大地激起了科研工作者们的兴趣，但是CrI3和Cr2Ge2Te6的一些性质却严重限制了两者在小型自旋电子器件领域的应用。少层CrI3和Cr2Ge2Te6晶体的Tc都比较低，远远低于室温，且二者在空气中都不稳定，这使得制备使用两种材料的自旋电子器件的条件十分苛刻，不利于推广应用，另外，CrI3和Cr2Ge2Te6都是绝缘体，使得器件的应用范围也不够大。寻找空气中稳定存在，且居里温度较高的二维磁性材料已经迫在眉睫。2018年，Y.Deng等人宣布发现了一种新型的二维磁性材料Fe3GeTe2晶体，块体Fe3GeTe2晶体使用化学气相沉积制备，得到块体材料后，不同于以往的微机械剥离法使用胶带反复撕开块体材料从而获得较薄的二维材料，为了获得更加平整的，面积更大的二维磁性材料，Y.Deng等人受使用金介质剥离过渡族金属硫化物的启发[26,27]，使用Al2O3薄膜辅助剥离的方法获得少层Fe3GeTe2样品，剥离少层Fe3GeTe2样品的具体过程如图1-3所示。Al2O3与Fe3GeTe2之间的粘附力较大，使用这种方法能够更加有效地解离二维材料，且解离出来的薄膜质量较高，为其他二维磁性材料样品的制备获取提供了思路。
电子科技大学硕士学位论文6图1-3少层Fe3GeTe2样品的制备过程[23]实验表明，单层的Fe3GeTe2样品在低温下仍具有长程的铁磁序以及面外的磁各向异性。更加重要的是，Y.Deng等人使用了锂离子插层Fe3GeTe2薄层，使得Fe3GeTe2薄层样品的铁磁转变温度提高到室温以上，远高于块体的Fe3GeTe2晶体的Tc，Tc可以调控到室温以上为未来使用该材料制作电子器件提供了无限可能。磁性二维材料CrI3，Cr2Ge2Te6与Fe3GeTe2的发现，打开了二维体系中本征长程磁有序的大门，使得二维材料不再因为本征磁性的缺失而在自旋电子器件领域束手束脚。其中CrI3因其晶体独特的层间反铁磁耦合更是吸引了广大研究者们的兴趣，本文的主要工作集中在对少层CrI3材料的研究上，现介绍国内外关于磁性二维材料CrI3的研究与进展。1.3磁性二维材料CrI3的研究与进展1.3.1CrI3的层间堆叠结构与磁序单层CrI3的晶体结构如图1-3(a)所示，六个I-构成正八面体，Cr3+处于正八面体的正中心，I-组成的正八面体进行共边连接，从而形成层状的蜂窝状晶格结构，CrI3晶体内部层与层之间依靠范德华力相结合，M.A.McGuire等人通过X射线衍射测试发现在常温下[24]，块体CrI3晶体层与层之间的堆叠结构为单斜堆叠，如图1-4(b)所示，当冷却到220K以下，块体CrI3晶体发生相变，其层间堆叠结构也发生变化，转变为菱方堆叠结构，如图1-4(c)所示，CrI3晶体两种堆叠方式中单层CrI3的晶体结构是相同的，层与层之间的相对平移距离不同导致了堆叠结构的变化。S.Djurdji-Mijin等人使用拉曼光谱对CrI3单晶的晶格振动进行了研究[28]，根据晶体结构与拉曼张量一一对应的关系，分析发现CrI3单晶的晶体结构变化与之前所报道的一致，高温相为单斜堆叠，低温相为菱方堆
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