[論文レビュー] Magnetic Behavior and Spin-Lattice Coupling in Cleavable, van der Waals Layered CrCl3 Crystals

Michael A. McGuire, Genevieve Clark+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

2D Materials and Applications被引用数 45

ひとこと要約

本研究は、剥離可能でファンデルワールス結合を有する層状CrCl3結晶の磁気的性質およびスピン-格子結合を調査し、約17 Kで強磁性相関が形成され、その後14 Kで長距離秩序を示す反強磁性秩序が形成される二段階の磁気的秩序化過程を明らかにした。モノレイヤーおよび少数レイヤーのCrCl3は効果的に剥離可能であり、今後の超薄膜磁性ヘテロ構造の研究に、スピンおよび格子結合を調整可能な材料として応用可能である。

ABSTRACT

CrCl3 is a layered insulator that undergoes a crystallographic phase transition below room temperature and orders antiferromagnetically at low temperature. Weak van der Waals bonding between the layers and ferromagnetic in-plane magnetic order make it a promising material for obtaining atomically thin magnets and creating van der Waals heterostructures. In this work we have grown crystals of CrCl3, revisited the structural and thermodynamic properties of the bulk material, and explored mechanical exfoliation of the crystals. We find two distinct anomalies in the heat capacity at 14 and 17 K confirming that the magnetic order develops in two stages on cooling, with ferromagnetic correlations forming before long range antiferromagnetic order develops between them. This scenario is supported by magnetization data. A magnetic phase diagram is constructed from the heat capacity and magnetization results. We also find an anomaly in the magnetic susceptibility at the crystallographic phase transition, indicating some coupling between the magnetism and the lattice. First principles calculations accounting for van der Waals interactions also indicate spin-lattice coupling, and find multiple nearly degenerate crystallographic and magnetic structures consistent with the experimental observations. Finally, we demonstrate that monolayer and few-layer CrCl3 specimens can be produced from the bulk crystals by exfoliation, providing a path for the study of heterostructures and magnetism in ultrathin crystals down to the monolayer limit.

研究の動機と目的

• 溶融法を用いて成長させたバルクCrCl3結晶の磁気的および構造的性質を特徴づけること。
• 比熱および磁化測定を用いて磁気的秩序化転移の性質を調査すること。
• 磁化率の異常および第一原理計算を用いてスピン-格子結合を探索すること。
• CrCl3をモノレイヤーおよび少数レイヤーに機械的剥離できることを実証し、ファンデルワールスヘテロ構造への応用を可能とすること。
• 温度および磁場の変化に応じたCrCl3の磁気相図を構築すること。

提案手法

• 溶融法を用いて高品質なCrCl3単結晶を成長させ、その後の構造的および熱力学的特性評価を実施すること。
• 温度および磁場を変化させた比熱および磁化測定を実施し、相転移を特定すること。
• 原子間力顕微鏡（AFM）および光学コントラスト解析を用いて剥離したフラクタルの層数を特定すること。
• ファンデルワールス補正を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて結晶構造、磁気状態およびスピン-格子結合をモデル化すること。
• 結晶構造転移における磁化率の異常を分析し、スピンと格子の結合を検出すること。
• 外場下での比熱および磁化データに基づき、磁場および温度に依存する磁気相図を構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrCl3における磁気的秩序化転移の性質は何か。これは複数段階で進行するのか。
• RQ2 結晶構造転移に伴う磁化率の応答は、スピン-格子結合を示唆するか。
• RQ3 第一原理計算は、実験的に観察されたCrCl3の構造的および磁気的基底状態をどの程度再現できるか。
• RQ4 モノレイヤーおよび少数レイヤーのCrCl3は、バルク結晶から信頼性高く剥離可能か。
• RQ5 外部磁場の影響は、CrCl3における磁気的相転移にどのように作用するか。これにより磁気相図にどのような知見が得られるか。

主な発見

• 14 Kおよび17 Kに見られる比熱の二つの明確な異常は、二段階の磁気的秩序化過程を確認するものであり、約17 Kで強磁性相関が形成され、その後14 Kで長距離秩序を示す反強磁性秩序が形成されることを示している。
• 磁化測定では、磁場を面内にした場合に約150 Oeでスピンフロップ転移が観察され、数kOeの磁場で全磁化極化が達成可能である。
• 結晶構造転移（140 K）における磁化率のわずかな異常は、格子自由度と磁気自由度の間の結合を示している。
• ファンデルワールス相互作用を含む第一原理計算では、磁気的性質を含めない限り実験的結晶構造を再現できないことから、スピン-格子結合が確認された。
• モノレイヤーおよび少数レイヤーのCrCl3フラクタルは効果的に剥離可能であり、測定された段差高さ約0.6 nmから単一レイヤー厚さ0.58 nmが確認された。
• 顕微鏡画像における光学コントラストはレイヤー数と相関しており、定性的な厚さ評価が可能である。また、図5cのインセットに明確にモノレイヤー試料が同定された。