中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在二維磁性材料研究領(lǐng)域中取得系列進展

近年來，二維（2D）材料因具有獨特的與自旋相關(guān)的物理性質(zhì)（范德華材料的磁子激子耦合行為和金屬有機骨架材料中非常規(guī)磁現(xiàn)象等）而引起了物理學(xué)家和材料學(xué)家們的廣泛關(guān)注。尤其是具有磁性（鐵磁和反鐵磁）的二維材料更是下一代自旋電子器件的首選材料。然而，由于反鐵磁缺乏凈磁化強度以及外磁場響應(yīng)能力，準(zhǔn)確識別它們的磁結(jié)構(gòu)、進而深入理解其反鐵磁衍生效應(yīng)仍然是一個嚴(yán)酷挑戰(zhàn)，這極大地限制了二維反鐵磁的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用。而對于二維鐵磁材料而言，如何尋找到居里轉(zhuǎn)變溫度高于室溫的體系則成為人們的追求目標(biāo)。則針對這些問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室的閆文盛教授課題組基于同步輻射技術(shù)開展了二維磁性材料設(shè)計調(diào)控、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀磁性三者之間內(nèi)在聯(lián)系的研究，取得了系列研究成果。

1.探測范德華材料VPS3 中的Néel 型反鐵磁序和相干磁子-激子耦合行為

二維范德華(vdW)反鐵磁材料由于具有太赫茲共振、多維磁序態(tài)和超快自旋動力學(xué)等特征而受到廣泛關(guān)注，近年來在自旋-軌道糾纏激子態(tài)和電子自旋轉(zhuǎn)矩等領(lǐng)域的研究中取得了重要進展。為了探究二維反鐵磁材料的磁構(gòu)型及其衍生效應(yīng)，研究團隊利用非線性二次諧波（SHG）和拉曼（Raman）光譜技術(shù)研究了層狀反鐵磁單晶VPS3，揭示了具有面外各向異性的二維反鐵磁體VPS3中的Néel 型反鐵磁序，發(fā)現(xiàn)這種長程反鐵磁序在超薄極限下仍然存在（圖1）。隨后，團隊首次在單層WSe2/VPS3異質(zhì)結(jié)中檢測到了Néel 型反鐵磁序誘導(dǎo)的強層間激子-磁子耦合(EMC)及其所產(chǎn)生的增強激子態(tài)。這一研究成果不僅在國際上首次用實驗方法證實了VPS3的精細(xì)磁結(jié)構(gòu)，而且發(fā)現(xiàn)了基于此構(gòu)型誘發(fā)的強激子-磁子耦合行為。這為二維反鐵磁材料的研究提供了新的光學(xué)途徑，并促進了它們在磁-光和光-自旋電子器件中的潛在應(yīng)用。

圖1 (a) 溫度依賴的SHG 圖形 (b)提取的SHG 強度擬合 (c) 解理的VPS3 光學(xué)照片 (d-f) 不同厚度VPS3 樣品的SHG 圖形

圖2 (a) Cu-MOFs 的合成過程示意圖 (b) Cu-MOFs 的EXAFS 譜圖 (c) 300 K 的磁滯回線譜圖 (d) Cu 的磁圓二色信號圖

圖3 菱形晶格中的自旋液體行為

2.二維半導(dǎo)體金屬有機材料中本征的室溫鐵磁性

尋找和制備具有室溫鐵磁性的二維(2D)磁性半導(dǎo)體仍然是材料科學(xué)中的一個十分具有挑戰(zhàn)性的問題，并且在下一代自旋電子器件中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。課題組通過配體裁剪策略來調(diào)節(jié)Cu 二聚體的內(nèi)部Cu 離子的距離，引入局部的晶格應(yīng)力，可以賦予二維半導(dǎo)體反鐵磁材料Cu-MOF 固有的室溫鐵磁耦合特性。采用具有元素分辨性的X 射線磁圓二色性(XMCD)技術(shù)，為本征的鐵磁性提供了非常有力的證據(jù)。詳盡的結(jié)構(gòu)表征證實，磁耦合的變化是由Cu 二聚體中Cu 原子之間的距離的增加從而導(dǎo)致d 電子的占據(jù)態(tài)的增加而引起的。理論計算表明，鐵磁耦合隨著Cu-Cu 距離的增加而增強，從而抑制了最近鄰Cu 原子的3d 軌道之間的雜化。該工作為設(shè)計和制造基于MOF 的半導(dǎo)體室溫鐵磁材料提供了有效的途徑，并促進了它們在下一代自旋電子器件中的實際應(yīng)用。

3.菱形晶格的金屬有機骨架中經(jīng)典自旋液體行為

幾何自旋阻挫系統(tǒng)因能使材料產(chǎn)生新奇物相以及獨特的物理現(xiàn)象而成為凝聚態(tài)物理中最具吸引力的前沿科學(xué)問題之一。課題組結(jié)合理論計算和實驗數(shù)據(jù)，在一個菱形晶格的Fe-MOF 材料中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典的自旋液體行為。在Fe-MOF 中，具有高自旋態(tài)S=5/2 的Fe 離子形成一個二維菱形格子。基于第一性原理計算，證明了相鄰Fe3+離子間的反鐵磁交換相互作用。同時利用four-state 計算方法，得到相鄰的Fe3+離子之間的交換積分比值為0.72，表明了無序自旋態(tài)的潛力，為實現(xiàn)類自旋液體態(tài)提供了可能性。交直流磁化率測試結(jié)果表明直至400 mK 也不存在長程磁序，同時排除了自旋玻璃態(tài)的可能性。進一步通過零磁場的比熱測試得到與磁貢獻相關(guān)的一次項系數(shù)γ 項的存在，同時γ 值還呈現(xiàn)磁場獨立性。此外，隨著外加磁場的增加，比熱的峰值位置向更高的溫度移動；而極低溫至180 mK 的比熱測試也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常峰，表明在整個測量溫度范圍內(nèi)都不存在長程磁有序。這些特征為自旋液體行為提供了明確和實際的證據(jù)。