[논문 리뷰] Hall micromagnetometry of individual two-dimensional ferromagnets

Minsoo Kim, Piranavan Kumaravadivel외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

2D Materials and Applications참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 재사용 가능한 그래핀 기반 홀 바를 사용한 비열성 홀 마이크로자석 측정법을 도입하여 개별 2D 페로자성체를 탐사한다. 이를 통해 양자화된 CrBr3의 단일층이 높은 수직면 비대칭성과 두껍기와 약하게 의존하는 임계 온도를 유지하며 페로자성임을 입증하며, 2D 이징 모델의 예측과 도전하고 있으며, 원자 두께의 반데르발스 이종구조에서 고유한 자기적 거동를 드러낸다.

ABSTRACT

The recent advent of atomically-thin ferromagnetic crystals has allowed experimental studies of two-dimensional (2D) magnetism that not only exhibits novel behavior due to the reduced dimensionality but also often serves as a starting point for understanding of the magnetic properties of bulk materials. Here we employ ballistic Hall micromagnetometry to study magnetization of individual 2D ferromagnets. Our devices are multilayer van der Waals (vdW) heterostructures comprising of an atomically-thin ferromagnetic crystal placed on top of a Hall bar made from encapsulated graphene. 2D ferromagnets can be replaced repeatedly, making the graphene-based Hall magnetometers reusable and expanding a range of their possible applications. The technique is applied for the quantitative analysis of magnetization and its behavior in atomically thin CrBr3. The compound is found to remain ferromagnetic down to a monolayer thickness and exhibit high out-of-plane anisotropy. We report how the critical temperature changes with the number of layers and how domain walls propagate through the ultimately thin ferromagnets. The temperature dependence of magnetization varies little with thickness, in agreement with the strongly layered nature of CrBr3. The observed behavior is markedly different from that given by the simple 2D Ising model normally expected to describe 2D easy-axis ferromagnetism. Due to the increasingly common usage of vdW assembly, the reported approach offers vast possibilities for investigation of 2D magnetism and related phenomena.

연구 동기 및 목표

• 원자 척도에서 개별 2D 페로자성체를 탐사하기 위한 재사용 가능하고 고감도 기술을 개발한다.
• 다양한 층 수에서 원자 두께의 CrBr3의 자화 거동을 조사한다.
• 2D 페로자성체에서 임계 온도와 자기 비대칭성이 어떻게 변화하는지 이해한다.
• 초박화된 페로자성층에서 도메인 벽의 동역학을 연구한다.
• CrBr3와 같은 실제 2D 용이축 페로자성체에 대해 2D 이징 모델의 타당성을 검증한다.

제안 방법

• 원자 두께의 페로자성 결정(예: CrBr3)을 그래핀 홀 바 위에 놓은 다층 반데르발스 이종구조의 제작.
• 봉입된 그래핀에서의 비열성 홀 효과를 이용해 개별 2D 페로자성체의 국소 자기장을 감지.
• 2D 페로자성층을 반복적으로 교체할 수 있는 재사용 가능한 장치 구조의 구현.
• 자화를 추출하기 위해 외부 자기장과 온도에 따른 홀 전압의 정량적 측정.
• 온도 의존 자화 곡선과 초박화된 필름에서의 도메인 벽 전파 분석.
• 실험 결과를 2D 이징 모델의 예측과 비교하여 모델의 타당성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극도로 얇아진 상태에서도 단일층 CrBr3가 페로자성을 유지하는가?
• RQ2 CrBr3의 임계 온도는 층 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 단일층 CrBr3의 자기모멘트 크기와 비대칭성은 얼마인가?
• RQ4 원자 두께의 페로자성체에서 도메인 벽은 어떻게 움직이고 진화하는가?
• RQ5 CrBr3의 관측된 거동은 2D 이징 모델의 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 단일층 CrBr3는 낮은 온도에서 페로자성을 유지하며, 단일 원자층까지 안정된 자기적 질서를 보인다.
• CrBr3는 강한 수직면 자기 비대칭성을 보이며, 용이축 페로자성과 일치한다.
• CrBr3의 임계 온도는 층 수에 따라 거의 변화하지 않아, 강하게 층 구조를 가진 자기적 성질을 나타낸다.
• 자화의 온도 의존성은 두께에 거의 영향을 받지 않으며, 단순한 2D 이징 모델의 예측과 대조된다.
• 초박화된 CrBr3에서 도메인 벽은 2D 이징 모델이 예측한 것과는 다름없는 동역학을 보인다.
• 실험 결과는 2D 이징 모델에서 크게 벗어나 있으며, 실제 2D 페로자성체에서 추가적인 자기 상호작용 또는 비대칭성 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.