[논문 리뷰] Metamagnetic Transitions in Few-Layer CrOCl Controlled by Magnetic Anisotropy Flipping

Minjie Zhang, Qifeng Hu외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 05.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 자기 이방성의 반전에 의해 유도되는 소수층 CrOCl에서의 현장 유도 메타자성 전이를 보여주며, 수직 자기장 하에서 면내의 용이축이 면외로 재정렬됨을 밝힌다. 이 전이는 터널링 전류의 급격한 증가로 나타나며, 고유한 오차단위세포 주기의 페리자성 초구조를 이끌어내며, 이는 이방성 공학을 통한 2차원 자성의 제어를 위한 새로운 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

The pivotal role of magnetic anisotropy in stabilising two-dimensional (2D) magnetism has been widely accepted, however, direct correlation between magnetic anisotropy and long-range magnetic ordering in the 2D limit is yet to be explored. Here, using angle- and temperature-dependent tunnelling magnetoresistance, we report unprecedented metamagnetic phase transitions in atomically-thin CrOCl, triggered by magnetic easy-axis flipping instead of the conventional spin flop mechanism. Few-layer CrOCl tunnelling devices of various thicknesses consistently show an in-plane antiferromagnetic (AFM) ground state with the easy axis aligned along the Cr-O-Cr direction (b-axis). Strikingly, with the presence of a magnetic field perpendicular to the easy-axis (H||c), magnetization of CrOCl does not follow the prevalent spin rotation and saturation pattern, but rather exhibits an easy-axis flipping from the in-plane to out-of-plane directions. Such magnetic anisotropy controlled metamagnetic phase transitions are manifested by a drastic upturn in tun- nelling current, which shows anomalous shifts towards higher H when temperature increases. By 2D mapping of tunnelling currents as a function of both temperature and H, we determine a unique ferrimagnetic state with a superstructure periodicity of five unit cells after the field-induced metam- agnetic transitions. The feasibility to control 2D magnetism by manipulating magnetic anisotropy may open enormous opportunities in spin-based device applications.

연구 동기 및 목표

• 두께가 얇은 CrOCl에서 장거리 자성 순서를 안정화하는 데 있어 자기 이방성의 역할을 조사하는 것.
• 자기 이방성 반전이 기존의 스핀-플로우 메커니즘과 다를 수 있는 메타자성 전이를 유도할 수 있는지 탐색하는 것.
• 자기장 하에서 원자 두께의 CrOCl에서 새로운 자성 상, 특히 초구조를 식별하고 특성화하는 것.
• 2차원 반데르발스 자성체에서 자기 이방성과 나타나는 자성 질서 간의 직접적인 상관관계를 설정하는 것.
• 스핀트로닉스 응용을 위해 외부적으로 자기 이방성을 제어함으로써 2차원 자성을 조절할 수 있는지의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 수평된 그래핀/CrOCl/그래핀 접합을 이용한 휴대형 그래핀/CrOCl 이중층 구조에서 각도 및 온도 의존 터널링 자성저항 측정을 수행하였다.
• 비접촉 원자력현미경(NC-AFM)과 라만 스펙트로스코피를 사용하여 기계적 분리된 CrOCl 플레이크의 두께를 식별하고 확인하였다.
• 진동 샘플 자화도 측정(VSM)과 자기 토크 측정을 통해 거대체의 자성 특성과 샘플 품질을 특성화하였다.
• 전자 구조와 자기 이방성 에너지(MAE)를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였으며, 스핀-오비트 결합 및 반데르발스 보정( SCAN+rVV10)을 포함하였다.
• 자기장과 온도에 따른 터널링 전류의 2차원 맵핑을 통해 상전이와 초구조 형성을 관찰하였다.
• 냉각기와 샘플 회전장치를 사용하여 각도 의존 측정을 위한 면내 및 면외 자기장 방향 제어를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 이방성 반전이 기존의 스핀-플로우 거동과 다를 수 있는 소수층 CrOCl에서의 메타자성 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 CrOCl에서 수직 자기장 하에 관찰된 자성 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 두께와 외부 자기장에 따라 자기 이방성이 어떻게 변화하며, 이는 장거리 질서 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 CrOCl에서 현장 유도 상의 초구조 주기성과 자성 질서는 무엇인가?
• RQ5 자기 이방성 공학이 반데르발스 물질에서 2차원 자성을 제어하는 실현 가능한 메커니즘으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 소수층 CrOCl는 b축 방향(Cr-O-Cr 방향)에 따라 면내 반자성 기저 상태를 보이며, 이는 용이축이 b축에 정렬되어 있음을 의미한다.
• 편평한 자기장(H∥c)을 가하면 용이축이 면내에서 면외로 재정렬되는 자기 이방성 반전 전이가 발생한다.
• 이 전이는 터널링 전류의 급격한 증가로 나타나며, 스핀-플로우 메커니즘과 다를 수 있는 현장 유도 메타자성 전이임을 시사한다.
• 온도가 증가함에 따라 전류 피크가 높은 자기장 영역으로 이격되는 비단조성 행동은 이방성 제어와 관련된 것으로 밝혀졌다.
• 터널링 전류의 2차원 맵핑은 현장 유도 전이 이후 고유한 오차단위세포 주기의 페리자성 상태와 초구조 형성을 드러낸다.
• DFT 계산은 면내 및 면외 자기 이방성이 경쟁적으로 존재함을 확인하였으며, 스핀-오비트 결합이 자기장 하에서 면외 방향 안정화에 핵심적인 역할을 한다고 밝혔다.