Nature前沿动态：低温强磁场共聚焦显微镜助力CrI3在新兴潜在领域中的应用

发布日期：2021-03-24

自二维磁性材料被成功制备以来，人们一直极度关注磁性的调控，特别是对三碘化铬（CrI₃）而言，更是受到广泛的研究和众多的文献报道。CrI₃薄片可以很容易地从大块CrI₃中剥离，就像石墨烯可以从石墨中剥离一样。也有多篇文献报道CrI₃单分子膜具有层间反铁磁序，并且在施加外场后，可以实现从反铁磁性到铁磁性的转变，并观察到巨大的隧穿磁阻。令人惊讶的是，CrI₃双层膜表现出反铁磁性，而三层膜又是铁磁性的。

近期，Jie Shan和Kin Fai Mak（美国康奈尔大学）的研究小组在理解CrI₃薄膜厚度对磁基态依赖性的物理起源方面取得了显著突破。此外，他们的研究成果为类似薄膜的磁性调控开辟了道路。在他们的研究中，基于attocube的低温恒温器在各种实验技术中都起到了关键性作用。该课题组的研究成果近期发表了多篇论文。详细的发现如下：材料科学家不仅要了解材料的特性，而且要能设计出具有所需特性的材料并在器件中实现。当涉及到设计所需的性能，范德瓦尔斯材料（vdWMs）已被证明是特别有益的。然而，在范德瓦尔斯材料中缺乏磁性材料，磁性材料在技术上可用于数据存储或传感器。CrI₃是一种罕见的具有本征磁性的范德瓦尔斯材料，尽管这种情况只发生在低温下并且材料对空气敏感。CrI₃近年来已成为研究和开发范德瓦尔斯材料有用特性的重要平台。

图1. 双层CrI₃中，磁圆二色信号在不同温度下随磁场变化曲线，揭示了压致铁磁性在~60 K下仍然存在^[1]。

Jie Shan和Kin Fai Mak（美国康奈尔大学）的小组以面向应用的方式广泛研究了CrI₃薄片的磁有序性。研究成果显示CrI3中的层间反铁磁耦合在转变为铁磁性之前，可以在压力下被调谐近100%^[1]。此外，在双层CrI₃中，通过电场调控技术，证明了反铁磁共振在几十GHz范围内的可调谐性，表明了CrI3在超高速数据存储和处理方面的潜力^[2]。

图2. CrI₃制成的机械谐振器中，机械振幅随驱动频率在磁场中的变化（磁场扫描范围-1T-1T）^[3]。

研究也为磁驱动和磁传感的潜在应用奠定了基础。该小组证明了双层反铁磁CrI₃中的磁致伸缩：在由CrI₃制成的机械谐振器中，共振频率取决于材料的磁性状态^[3]。

图3. 基于双层CrI₃的电学器件光学照片^[4]。

利用电场控制CrI₃层间磁序的特性，课题组设计并测试了一种基于CrI₃的自旋晶体管。该器件中的磁化配置不受自旋电流控制，而由栅极电压控制，自旋晶体管可以实现约400%的电导比，这适用于非易失性存储器应用^[4]。

以上的结果是借助于attoDRY1000和attoDRY2100低温恒温器获得的，这些低温恒温器可以与拉曼光谱、磁圆二色性、磁光克尔效应和隧道磁阻测量等多种实验技术结合使用。

图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。https://qd-china.com/zh/pro/detail/3/1912041697862

attoDRY2100+CFM I主要技术特点：

+ 应用范围广泛:  PL/EL/ Raman等光谱测量

+ 变温范围：1.8K - 300K

+ 空间分辨率：< 1 mm

+ 无液氦闭环恒温器

+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)

+ 低温消色差物镜NA=0.82

+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精细扫描范围：30 mm X 30 mm@4K

+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier

+ 可升级到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

参考文献：

[1] T. Li et al., Pressure-controlled interlayer magnetism in atomically thin CrI3, Nature Mater. 18, 1303 (2019)
[2] X.-X. Zhang et al., Gate-tunable spin waves in antiferromagnetic atomic bilayers, Nature Mater. 19, 838 (2020)
[3] S. Jiang et al., Exchange magnetostriction in two-dimensional antiferromagnets, Nature Mater. 19, 1295 (2020)
[4] S. Jiang et al., Spin tunnel field-effect transistors based on two-dimensional van der Waals heterostructures, Nature Electron. 2, 159 (2019)