[논문 리뷰] Coexistence of Magnetic Orders in Two-Dimensional Magnet CrI$_3$

Ben Niu, Tang Su외 13명|eScholarship (California Digital Library)|2019. 11. 27.

Inorganic Chemistry and Materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 냉각된 자기력 현미경을 사용하여 같은 CrI₃ 플레이트에서 반강자성(FM)과 강자성(AFM) 질서의 공존을 규명하였으며, 약 13 nm 두께의 표면층은 AFM 상에 있고 내부는 FM 상에 있다. FM 상태 간의 전이 과정은 c축 스핀 모멘트가 상쇄된 잔류 상태를 거치며, 이는 삼주계 상에서 약한 다층 간 결합으로 인해 c축 도메인 형성이 발생했음을 시사한다. 이는 단일 물질 내에서 내재된 자기 이종구조를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중간 두께(25–200 nm)의 CrI₃ 플레이트에서 자기상 공존을 조사하여, 거대체와 소수층 영역 사이의 중간 영역을 다루는 것.
• 단일 CrI₃ 플레이트 내에서 자기상과 적층 구조의 공간 분포를 규명하는 것.
• 삼주계 상에서의 다층 간 결합 강도가 자기상 공존 및 도메인 형성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 단일 CrI₃ 물질 내에서 두께에 따라 조절 가능한 내재된 자기 이종구조를 설계할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 저온(최소 4 K)에서 고해상도로 자기 도메인을 맵핑하기 위해 냉각된 자기력 현미경(cMFM)을 사용하였다.
• 거대체와 소수층 영역 사이의 중간 영역을 탐구하기 위해 두께가 25 nm에서 200 nm 사이인 CrI₃ 플레이트를 연구하였다.
• 자기력 현미경 영상 분석을 통해 서로 다른 자기상이 있는 영역를 식별하였으며, 내부는 FM이고 표면층은 AFM였다.
• 외부 자장 사이클링 중 자기모멘트의 변화를 모니터링하여 잔류 상태를 탐지하고 도메인 구조를 추론하였다.
• 관측된 자기 행동은 삼주계 상에서의 적층 의존 자기이방성과 약한 다층 간 결합의 맥락에서 해석되었다.
• c축 도메인 형성의 이론적 고려사항을 활용하여, FM 스위칭 중 관측된 거의 상쇄된 모멘트 상태를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 두께의 단일 CrI₃ 플레이트에서 반강자성과 강자성 질서가 동시에 공존할 수 있는가?
• RQ2 단일 CrI₃ 플레이트 내에서 FM과 AFM 상의 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 삼주계 상에서의 약한 다층 간 결합은 자기 스위칭 및 도메인 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 FM에서 FM으로의 스위칭 중 관측된 잔류 자기 상태의 성격은 무엇인가?
• RQ5 두께에 따라 조절 가능한 적층 구조를 통해 단일 CrI₃ 결정 내에서 내재된 자기 이종구조를 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 중간 두께(25–200 nm)의 CrI₃ 플레이트에서 두 자기상이 공존한다: 표면층 약 13 nm 두께는 층상 반강자성(AFM) 상을 차지하고 내부는 강자성(FM) 상을 유지한다.
• FM에서 FM으로의 스위칭 과정은 c축 방향 모멘트가 거의 상쇄된 잔류 상태를 거치며, 이는 c축 자기 도메인 형성이 일어났음을 시사한다.
• 삼주계 상에서의 약한 다층 간 결합은 c축 도메인의 안정화를 가능하게 하며, 관측된 잔류 상태와 일치한다.
• 표면층의 AFM 상은 소수층 CrI₃와 구조적으로 유사하며, 단일 단위세포 구조와 45 K의 낮은 전이 온도를 가진다.
• 내부의 FM 상은 삼주계 적층을 가지며, 거대체 CrI₃와 동일하며, 투스온도는 61 K이다.
• 결과적으로, 외부 인터페이스 없이도 단일 CrI₃ 플레이트 내에서 내재된 자기 이종구조를 형성할 수 있음을 보여주며, 이는 2차원 스핀트로닉스 장치 설계를 위한 새로운 길을 열어준다.