[论文解读] Low-temperature monoclinic layer stacking in atomically thin CrI$_3$ crystals

Nicolas Ubrig, Zhe Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

2D Materials and Applications被引用 9

一句话总结

本研究利用偏振分辨拉曼光谱，证明了原子级厚度的CrI₃薄片在4 K下仍保持低温单斜堆叠相，解释了少层CrI₃中实验观测到的反铁磁层间耦合行为，这与体相CrI₃中的铁磁有序形成对比。单斜相的持续存在——该相被预测有利于反铁磁耦合——解决了CrI₃中厚度依赖磁性有序的长期悖论。

ABSTRACT

Chromium triiodide, CrI$_3$, is emerging as a promising magnetic two-dimensional semiconductor where spins are ferromagnetically aligned within a single layer. Potential applications in spintronics arise from an antiferromagnetic ordering between adjacent layers that gives rise to spin filtering and a large magnetoresistance in tunnelling devices. This key feature appears only in thin multilayers and it is not inherited from bulk crystals, where instead neighbouring layers share the same ferromagnetic spin orientation. This discrepancy between bulk and thin samples is unexpected, as magnetic ordering between layers arises from exchange interactions that are local in nature and should not depend strongly on thickness. Here we solve this controversy and show through polarization resolved Raman spectroscopy that thin multilayers do not undergo a structural phase transition typical of bulk crystals. As a consequence, a different stacking pattern is present in thin and bulk samples at the temperatures at which magnetism sets in and, according to previous first-principles simulations, this results in a different interlayer magnetic ordering. Our experimental findings provide evidence for the strong interplay between stacking order and magnetism in CrI$_3$, opening interesting perspectives to design the magnetic state of van der Waals multilayers.

研究动机与目标

• 解决体相CrI₃中层间铁磁耦合与少层CrI₃中观测到的反铁磁耦合之间的矛盾。
• 确定薄层CrI₃中的磁性转变是否源于理论模型所建议的结构相变。
• 利用对晶体对称性敏感的技术，实验验证原子级厚度CrI₃在低温下的堆叠顺序。
• 阐明表面效应和动力学能垒在抑制薄样品中结构相变中的作用。

提出的方法

• 采用偏振分辨拉曼光谱探测CrI₃薄片在不同温度下的晶体对称性。
• 通过分析拉曼峰强度随偏振角的变化，识别出表现出邻近峰强度相反转移特征的单斜相。
• 通过测量反斯托克斯与斯托克斯峰强度比，独立验证实际样品温度，排除激光加热引起的伪影。
• 首先在体相CrI₃上验证该方法，确认在约200–220 K附近存在已知的单斜相到菱面体相的转变。
• 将相同方法应用于机械剥离的少层CrI₃，评估其在4 K下的堆叠稳定性。
• 参考第一性原理计算，将单斜相与预测的反铁磁层间交换耦合联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子级厚度的CrI₃在低温下是否发生从单斜相到菱面体相的结构相变？
• RQ2 少层CrI₃中单斜相的稳定是由于动力学还是热力学约束？
• RQ3 偏振分辨拉曼光谱能否区分二维CrI₃中的单斜相与菱面体相？
• RQ4 单斜相的持续存在是否解释了少层CrI₃中观测到的反铁磁层间耦合？
• RQ5 表面效应在抑制薄CrI₃中结构转变中起什么作用？

主要发现

• 原子级厚度的CrI₃样品在4 K下仍保持单斜相，未表现出向菱面体相的结构转变。
• 薄层CrI₃中观测到的拉曼光谱表现出单斜结构特有的偏振依赖强度模式，证实其稳定性。
• 少层CrI₃中未出现菱面体相，解释了实验观测到的反铁磁层间耦合行为，与理论预测一致。
• 薄层CrI₃中磁性有序的临界温度为51 K，与体相CrI₃磁化率曲线上异常点的温度一致，表明表面层具有相似行为。
• 通过反斯托克斯/斯托克斯强度比分析排除了激光加热伪影，确认所测低温光谱真实反映了样品状态。
• 结果支持一种情景：自由表面抑制了结构相变，可能解释了单斜相在薄样品中的持续存在。