[論文レビュー] Low-temperature monoclinic layer stacking in atomically thin CrI$_3$ crystals

Nicolas Ubrig, Zhe Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究は偏光分解能ラマン分光法を用いて、原子層厚さのCrI₃フラクタルが4 Kまで単斜晶相に留まることが実証された。これは、数層のCrI₃で観測された反強磁性的相互作用と、バルクCrI₃における強磁性的秩序と対照的である。単斜晶相の持続性—予測される反強磁性的相互作用を促進する—は、CrI₃における厚さ依存性磁性秩序の長年のパラドックスを解消する。

ABSTRACT

Chromium triiodide, CrI$_3$, is emerging as a promising magnetic two-dimensional semiconductor where spins are ferromagnetically aligned within a single layer. Potential applications in spintronics arise from an antiferromagnetic ordering between adjacent layers that gives rise to spin filtering and a large magnetoresistance in tunnelling devices. This key feature appears only in thin multilayers and it is not inherited from bulk crystals, where instead neighbouring layers share the same ferromagnetic spin orientation. This discrepancy between bulk and thin samples is unexpected, as magnetic ordering between layers arises from exchange interactions that are local in nature and should not depend strongly on thickness. Here we solve this controversy and show through polarization resolved Raman spectroscopy that thin multilayers do not undergo a structural phase transition typical of bulk crystals. As a consequence, a different stacking pattern is present in thin and bulk samples at the temperatures at which magnetism sets in and, according to previous first-principles simulations, this results in a different interlayer magnetic ordering. Our experimental findings provide evidence for the strong interplay between stacking order and magnetism in CrI$_3$, opening interesting perspectives to design the magnetic state of van der Waals multilayers.

研究の動機と目的

• バルクCrI₃における強磁性的相互作用と、数層CrI₃で観測された反強磁性的相互作用との間の矛盾を解明すること。
• 理論モデルが示唆するように、薄いCrI₃における磁性転移が構造的相転移に起因するかどうかを特定すること。
• 結晶対称性に敏感な手法を用いて、低温における原子層厚さのCrI₃の積層順序を実験的に検証すること。
• 表面効果および運動的障壁が、薄い試料における構造的相転移を抑制する役割を明確にすること。

提案手法

• 偏光分解能ラマン分光法を用いて、さまざまな温度におけるCrI₃フラクタルの結晶対称性を調査した。
• ラマンピークの強度が偏光角度に応じて変化する様子を解析し、近接するピーク間で位相反位の強度移動を示す単斜晶相を同定した。
• 反ストークスピークとストークスピークの強度比を測定し、実際の試料温度を独立に確認し、レーザー誘発加熱の影響を除外した。
• まずバルクCrI₃を用いて、200–220 K付近での既知の単斜晶相から斜方晶相への相転移を検証した。
• 同様の手法をエキスフォリエーテッド数層CrI₃に適用し、4 Kまでにおける積層安定性を評価した。
• 第一原理シミュレーションを参照し、単斜晶相と予測された反強磁性的層間交換相互作用の関連を明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子層厚さのCrI₃で低温において単斜晶相から斜方晶相への構造的相転移が生じるか？
• RQ2 数層CrI₃における単斜晶相の安定化は、動的要因か熱力学的制約によるものか？
• RQ3 偏光分解能ラマン分光法は、2次元CrI₃における単斜晶相と斜方晶相を区別できるか？
• RQ4 単斜晶相の持続性が、数層CrI₃で観測された反強磁性的層間結合を説明できるか？
• RQ5 表面効果が、薄いCrI₃における構造的相転移を抑制する役割を果たすか？

主な発見

• 原子層厚さのCrI₃試料は4 Kまで単斜晶相に留まり、斜方晶相への相転移の兆候は観測されなかった。
• 薄いCrI₃におけるラマンスペクトルは、単斜晶構造に特徴的な偏光依存性強度パターンを示し、その安定性が確認された。
• 数層CrI₃に斜方晶相が存在しないことは、実験的に観測された反強磁性的層間結合を説明しており、理論的予測と整合的である。
• 薄いCrI₃における磁性秩序の臨界温度は51 Kであり、バルクCrI₃の磁化曲線に観測される不連続性と一致しており、表面層でも同様の挙動を示す可能性を示唆している。
• 反ストークス/ストークス強度比の分析により、レーザー加熱の影響が除外され、測定された低温スペクトルが真の試料状態を反映していることが確認された。
• 結果は、自由表面が構造的相転移を抑制するというシナリオを支持しており、薄い試料における単斜晶相の持続性を説明する可能性がある。