[논문 리뷰] Probing Magnetism in Exfoliated VI3 Layers with Magnetotransport

David Soler-Delgado, Yao, Fenrui외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 필드효과 트anz이터 및 터널링 장치에서의 자화도 측정을 통해 분리된 VI3 다층구조에서의 자성성을 조사한다. 이는 57 K의 투리온 온도를 보이며, 이는 막대한 VI3보다 높으며, 자화도에서 비-아이징 행동을 나타내어, 이전에 광학적 및 스캐닝 탐측 기법으로 제안된 단순한 아이징 강자성과는 달리, 막대한 VI3와 유사한 복잡한 자성 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

We perform magnetotransport experiments on VI$_3$ multilayers, to investigate the relation between ferromagnetism in bulk and in exfoliated layers. The magnetoconductance measured on field-effect transistors and tunnel barriers shows that the Curie temperature of exfoliated multilayers is $T_C$ = 57 K, larger than in bulk ($T_{ m C,bulk}$ = 50 K). Below $T \approx$ 40 K, we observe an unusual evolution of the tunneling magnetoconductance, analogous to the phenomenology observed in bulk. Comparing the magnetoconductance measured for fields applied in- or out-of-plane corroborates the analogy, allows us to determine that the orientation of the easy-axis in multilayers is similar to that in bulk, and suggests that the in-plane component of the magnetization points in different directions in different layers. Besides establishing that the magnetic state of bulk and multilayers are similar, our experiments illustrate the complementarity of magnetotransport and magneto-optical measurements to probe magnetism in 2D materials.

연구 동기 및 목표

• 분리된 VI3 다층구조와 막대한 VI3 사이의 보고된 자성 성질 간의 괴리, 특히 2차원 다층구조에서의 높은 투리온 온도를 해결하기 위해.
• 이전의 광학적 및 스캐닝 기법으로 제안된 바와 같이, 분리된 VI3 다층구조의 자성 상태가 진정으로 간단한(예: 아이징 유사) 것인지 확인하기 위해.
• 특히 평면 내 및 평면 외 방향 자기장 반응을 비교하여, 2차원 VI3에서 자성 이방성과 자화 방향을 탐구하기 위해.
• 자화도 측정이 2차원 반데르발스 자성체에서 자성을 연구하는 데 있어 자화도 광학 방법과의 상호보완성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 분리된 VI3 다층구조(18 nm 두께)를 사용하여 하전 환원질로 둘러싸인 필드효과 트랜지스터 및 터널 접합을 제작하여 열화를 방지한다.
• VI3 다층구조에 수직 및 평면 내 자기장을 적용하여, 자기장에 따른 자화도를 측정한다.
• 터널링 전도도 측정을 통해 자기장 및 온도에 따른 터널링 자화도(이하 TMC)를 분석한다.
• 평면 내 및 평면 외 자기장 하에서 TMC 거동를 비교하여 자성의 쉬운 축 방향을 유추한다.
• 히스테리시스 및 부호 반전 자화도 특성을 분석하여 아이징 및 비-아이징 자성 상태를 구분한다.
• 자기장 및 온도에 따른 자화도 데이터를 막대한 자성 성질, 특히 40 K 이하에서의 자화율 및 구조적 비정상성과 연관시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전의 RMCD 및 스캐닝 자화도 측정으로 제안된 바와 같이, 분리된 VI3 다층구조의 자성 전이가 아이징 유사 행동을 보이는가?
• RQ2 분리된 VI3 다층구조의 투리온 온도는 막대한 VI3와 비교하여 어떻게 다른가? 이는 차원성의 역할에 대해 어떤 시사점을 갖는다?
• RQ3 분리된 VI3 다층구조에서 자성의 쉬운 축 방향은 어떻게 되며, 막대한 구조와 비교해 보면 어떠한가?
• RQ4 왜 터널링 자화도는 40 K 이하에서 예상되는 아이징 강자성체의 특성과는 다르게 음수 값을 보이며 히스테리시스 행동을 나타내는가?
• RQ5 구조적 차이가 있음에도 불구하고, 자화도 측정이 막대한 VI3에서 관찰된 복잡한 자성 현상학을 어느 정도 드러내는가?

주요 결과

• 분리된 VI3 다층구조의 투리온 온도는 57 K로 측정되었으며, 막대한 VI3에서 관측된 50 K보다 높다.
• 40 K 이하에서 수직 자기장 하에서 터널링 자화도는 음수가 된다—이것은 단순한 아이징 강자성체와 부합하지 않지만, 막대한 VI3와 유사하다.
• 평면 내 자기장 하에서 히스테리시스 자화도가 관측되어 복잡한 자성 리듬 동역학을 시사한다.
• 다층구조에서 자성의 쉬운 축은 다층구조의 법선으로부터 약 30° 각도로 배향되어 있으며, 막대한 결정에서 관측된 30–35° 각도보다 약간 작다.
• 다층구조에서의 자성 이방성 및 자기장 의존 전도도 반응은 막대한 VI3와 정량적으로 유사하여, 공통된 기초 자성 상태를 나타낸다.
• 결과적으로 자화도 측정은 자화도 광학 기법만으로는 드러내지 못하는 복잡한 자성 상태를 더 민감하게 탐지할 수 있음을 보여주며, 단순한 광학적 서명에 의해 가려진 비-아이징 행동을 드러낸다.