[论文解读] Probing Magnetism in Exfoliated VI3 Layers with Magnetotransport

David Soler-Delgado, Yao, Fenrui+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过场效应晶体管和隧道结中的磁电输运测量，探究了机械剥离的VI3多层膜中的磁性。研究发现其居里温度为57 K，高于体相VI3，且磁电导率表现出非伊辛行为，表明其磁性态与体相VI3相似，而非先前光学和扫描探针所暗示的简单伊辛铁磁性。

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.

研究动机与目标

• 为解决报道的机械剥离VI3多层膜与体相VI3之间磁性性质的差异，特别是二维层中居里温度更高的问题。
• 确定机械剥离VI3多层膜中的磁性态是否如先前光学和扫描技术所暗示的那样真正更简单（例如伊辛型）。
• 通过磁电输运测量探究二维VI3中的磁各向异性和磁化方向，特别是对比平行和垂直于层的磁场响应。
• 评估磁电输运与磁光方法在研究二维范德华磁体磁性方面的互补性。

提出的方法

• 利用厚度为18 nm的机械剥离VI3多层膜，封装在六方氮化硼中，制备场效应晶体管和隧道结，以防止降解。
• 在场效应器件中测量磁电导率，施加垂直和平行于VI3层的磁场。
• 利用隧道输运测量探测隧道磁电导率（TMC）随磁场和温度的变化。
• 通过比较平行和垂直磁场下的TMC行为，推断磁性易轴的取向。
• 分析磁滞和符号反转的磁电导率特征，以区分伊辛与非伊辛磁性态。
• 将输运数据与体相磁性性质（包括居里温度以下的磁化率和结构异常）进行关联分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 机械剥离VI3多层膜的磁性转变是否如先前RMCD和扫描磁力显微镜所建议的那样表现出伊辛行为？
• RQ2 机械剥离VI3多层膜的居里温度与体相VI3相比如何？这在多大程度上揭示了维度效应的作用？
• RQ3 机械剥离VI3多层膜的磁性易轴方向如何？与体相相比有何异同？
• RQ4 为何VI3多层膜中的隧道磁电导率在40 K以下表现出负值和磁滞行为，与伊辛铁磁体的预期相悖？
• RQ5 在结构差异存在的情况下，磁电输运测量在多大程度上揭示了与体相VI3中观察到的复杂磁性现象一致的磁性行为？

主要发现

• 机械剥离VI3多层膜的居里温度测定为57 K，高于体相VI3中观测到的50 K。
• 在40 K以下，垂直磁场下隧道磁电导率变为负值——该行为与简单伊辛铁磁体不符，但与体相VI3类似。
• 在平行磁场下观察到磁滞磁电导率，表明存在复杂的磁弛豫动力学。
• 多层膜中的磁性易轴相对于层法线方向约为30°，略小于体相晶体中观测到的30–35°。
• 多层膜中的磁各向异性和磁场依赖输运响应在定量上与体相VI3相似，表明其具有相同的潜在磁性态。
• 结果表明，磁电输运比单独使用磁光技术更能灵敏探测二维磁体中的复杂磁性态，揭示了光学信号所掩盖的非伊辛行为。