[論文レビュー] Magnetic Correlations in the Quasi-2D Semiconducting Ferromagnet CrSiTe$_3$

T. J. Williams, A. A. Aczel+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、準二次元鉄磁性半導体CrSiTe₃における磁気相関を、弾性および非弾性中性子散乱を用いて調査した。300 Kまで強い面内静的および動的磁気相関が持続しており、ヘイゼンベルグ型スピンダイナミクスと、c軸配列を促進する微小な単一イオン異方性が確認され、従来のイジング的挙動の仮定に反し、スピントロニクス応用に向けた薄膜およびモノレイヤーにおいて重要な2次元的性質を示している。

ABSTRACT

Intrinsic, two-dimensional ferromagnetic semiconductors are an important class of materials for overcoming the limitations of dilute magnetic semiconductors for spintronics applications. CrSiTe$_3$ is a particularly interesting member of this class, since it can likely be exfoliated down to single layers, where T$_C$ is predicted to increase dramatically. Establishing the nature of the magnetism in the bulk is a necessary precursor to understanding the magnetic behavior in thin film samples and the possible applications of this material. In this work, we use elastic and inelastic neutron scattering to measure the magnetic properties of single crystalline CrSiTe$_3$. We find that there is a very small single ion anisotropy favoring magnetic ordering along the $c$-axis and that the measured spin waves fit well to a model where the moments are only weakly coupled along that direction. Finally, we find that both static and dynamic correlations persist within the $ab$-plane up to at least 300 K, strong evidence of this material's two-dimensional characteristics that are relevant for future studies on thin film and monolayer samples.

研究の動機と目的

• 準二次元鉄磁性半導体であるボトムCrSiTe₃における磁気秩序および相関の性質を特定すること。
• スピン異方性およびスピン波挙動に関する矛盾する先行報告、特に議論のあったイジング的性質を解明すること。
• 磁気秩序およびダイナミクスを維持するための面内および面外交換相互作用の役割を特定すること。
• スピン遷移温度T_Cが顕著に上昇すると予想される薄膜およびモノレイヤーにおけるCrSiTe₃の磁気的挙動を定量的に理解する基盤を提供すること。

提案手法

• 磁気ブラッグピークおよび臨界指数の測定を目的とした弾性中性子散乱を実施し、T_C = 33.2(1) Kおよびβ = 0.151(2)が得られ、2次元イジング的臨界行動と整合的であることを確認した。
• スピン波分散およびエネルギーをマッピングする目的で、(H 0 0)および(0 0 L)方向における非弾性中性子散乱を実施し、T_Cを超える領域でL方向に分散がないことを特定した。
• E = 1.75 meV（H方向）およびE = 1.5 meV（L方向）におけるエネルギー固定スキャンを実施し、300 Kまでにスピン波の温度依存的変化を追跡した。
• 2軸測定を実施し、面内相関長を抽出した。T_Cで発散し、T_Cを超えて持続することを示した。
• 線形スピン波理論を用いてスピン波データにフィットさせ、J_ab1 = -1.27(23) meVおよび微小なスピンギャップ0.075(24) meVを算出した。
• X線回折およびDFT計算を併用し、弱いオクタヘドラル歪みおよびc軸方向のファンデルワールス相互作用の存在を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrSiTe₃における真の磁気異方性の性質は何か—イジング的かヘイゼンベルグ的か？
• RQ2 Curie温度T_Cを超えて、静的および動的磁気相関はどのように変化するか？
• RQ3 面内および面外交換相互作用の相対的な強さおよび空間的範囲は何か？
• RQ4 2次元的磁気相関は、バルクCrSiTe₃においてどの程度持続するのか？また、2次元極限における挙動にどのように関連するか？
• RQ5 観測された中性子散乱データは、スピン波分岐およびスピンギャップに関する矛盾する先行報告とどのように整合するか？

主な発見

• 弾性中性子散乱から抽出された臨界指数β = 0.151(2)は、2次元鉄磁性臨界行動と整合的である。
• 磁気ブラッグピークにはT_Cでピークを示す拡散成分が存在し、T_Cを超えて強い2次元的面内相関が持続していることが示された。
• T_Cを超えても面内スピン波分散は強く抑制され、L方向に分散が検出されないため、ダイナミクスの2次元的閉じ込めが確認された。
• 40 Kにおける(H 0 0)方向ではスピン波が広がっているが依然として観測可能であり、300 Kまでに面内動的相関が持続していることが示された。
• スピンギャップは0.075(24) meVと測定され、非常に弱い単一イオン異方性がc軸配列を促進しているが、イジング的挙動とは異なることが示された。
• 主な面内交換相互作用J_ab1 = -1.27(23) meVは、Teイオンを介したスーパーレンジ交換により起因すると考えられ、2番目および3番目の近接ネガティブ相互作用は二重スーパーレンジ交換による可能性がある。