[論文レビュー] Coexistence of Magnetic Orders in Two-Dimensional Magnet CrI$_3$

Ben Niu, Tang Su+13 more|eScholarship (California Digital Library)|Nov 27, 2019

Inorganic Chemistry and Materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、低温磁気フォース顕微鏡を用いて、同じCrI₃フラクチャにフェロ磁性（FM）と反強磁性（AFM）秩序の共存を明らかにした。表面付近の約13 nmの層がAFM相にあり、内部はFM相にある。FM状態間の遷移は、c軸方向の磁化モーメントがほぼ相殺された残留状態を経て進行しており、ルービングナイト相における弱い層間結合に起因するc軸ドメイン形成を示しており、単一材料内に内在する磁気ヘテロ構造の形成を可能としている。

ABSTRACT

The magnetic properties in two-dimensional van der Waals materials depend sensitively on structure. CrI3, as an example, has been recently demonstrated to exhibit distinct magnetic properties depending on the layer thickness and stacking order. Bulk CrI3 is ferromagnetic (FM) with a Curie temperature of 61 K and a rhombohedral layer stacking, while few-layer CrI3 has a layered antiferromagnetic (AFM) phase with a lower ordering temperature of 45 K and a monoclinic stacking. In this work, we use cryogenic magnetic force microscopy to investigate CrI3 flakes in the intermediate thickness range (25 - 200 nm) and find that the two types of magnetic orders hence the stacking orders can coexist in the same flake, with a layer of ~13 nm at each surface being in the layered AFM phase similar to few-layer CrI3 and the rest in the bulk FM phase. The switching of the bulk moment proceeds through a remnant state with nearly compensated magnetic moment along the c-axis, indicating formation of c-axis domains allowed by a weak interlayer coupling strength in the rhombohedral phase. Our results provide a comprehensive picture on the magnetism in CrI3 and point to the possibility of engineering magnetic heterostructures within the same material.

研究の動機と目的

• 中程度の厚さ（25–200 nm）のCrI₃フラクチャにおける磁気相の共存を調査すること。
• 1つのCrI₃フラクチャ内での磁気秩序およびスタッキング構造の空間的分布を特定すること。
• ルービングナイト相における層間結合の強さが、磁気相の共存およびドメイン形成に果たす役割を理解すること。
• 単一のCrI₃材料内に内在する磁気ヘテロ構造を設計可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 低温（4 Kまで）で高空間分解能を実現する低温磁気フォース顕微鏡（cMFM）を用いて、磁気ドメインをマップした。
• バルクと数層相の間の中間領域を調査するため、厚さ25 nmから200 nmのCrI₃フラクチャを用いた。
• 磁気フォース顕微鏡像の解析により、内部にFM、表面層にAFMの異なる磁気秩序を有する領域を特定した。
• 外部磁場のサイクルに伴う磁化モーメントの変化をモニタリングし、残留状態を検出し、ドメイン構造を推定した。
• 観察された磁気的挙動を、スタッキング依存の磁気異方性およびルービングナイト相における弱い層間結合の文脈で解釈した。
• c軸ドメイン形成の理論的考察を用いて、FMスイッチング中に観察されたほぼ相殺されたモーメント状態の性質を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の厚さの1つのCrI₃フラクチャに、フェロ磁性と反強磁性秩序が共存可能か？
• RQ2 1つのCrI₃フラクチャ内でのFM相とAFM相の空間的分布はいかなるものか？
• RQ3 ルービングナイト相における弱い層間結合が、磁気スイッチングおよびドメイン形成にどのように影響するか？
• RQ4 FM→FMスイッチング中に観察された残留磁気状態の性質は何か？
• RQ5 厚さ依存のスタッキングを介して、単一のCrI₃結晶内に内在する磁気ヘテロ構造を形成できるか？

主な発見

• 中程度の厚さ（25–200 nm）のCrI₃フラクチャでは、2つの磁気相が共存しており、表面層（約13 nm）が層状反強磁性（AFM）相に、内部がフェロ磁性（FM）相にある。
• FM→FMスイッチング過程では、c軸方向の磁化モーメントがほぼ相殺された残留状態を経て進行しており、c軸磁気ドメインの形成を示している。
• ルービングナイト相における弱い層間結合のおかげで、c軸ドメインが安定化しており、観察された残留状態と整合的である。
• 表面層のAFM相は、数層CrI₃と構造的に類似しており、単斜晶スターッキングを示し、遷移温度は45 Kである。
• 内部のFM相は、ルービングナイトスターッキングを示すバルクCrI₃に対応し、Curie温度は61 Kである。
• 本研究の結果は、外部界面を必要とせず、単一のCrI₃フラクチャ内に内在する磁気ヘテロ構造を形成可能であることを示しており、2次元スピントロニクス素子の設計に新たな道筋を提供する。