[论文解读] 1T-FeS$_2$$:$ a new type of two-dimensional metallic ferromagnet

Govindan Kutty Rajendran Nair, Xiaoyu Ji+22 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

2D Materials and Applications被引用 9

一句话总结

本文首次实验实现了二维（2D）金属铁磁体1T-FeS₂，通过熔盐辅助化学气相沉积法合成。该材料表现出长程的面外铁磁有序，由显著的反常霍尔效应和磁阻的磁滞行为证实，理论分析基于Stoner准则，为超越层状材料的二维自旋电子学器件开辟了新途径。

ABSTRACT

Discovery of intrinsic two-dimensional (2D) magnetic materials is crucial for understanding the fundamentals of 2D magnetism and realizing next-generation magnetoelectronic and magneto-optical devices. Although significant efforts have been devoted to identifying 2D magnetism by exfoliating bulk magnetic layered materials, seldom studies are performed to synthesize ultra-thin magnetic materials directly for non-layered magnetic materials. Here, we report the successful synthesis of a new type of theoretically proposed 2D metallic ferromagnet 1T FeS2, through the molten-salt-assisted chemical vapor deposition (CVD) method. The long-range 2D ferromagnetic order is confirmed by the observation of a large anomalous Hall effect (AHE) and a hysteretic magnetoresistance. The experimentally detected out-of-plane ferromagnetic ordering is theoretically suported with Stoner criterion. Our findings open up new possibilities to search novel 2D ferromagnets in non-layered compounds and render opportunities for realizing realistic ultra-thin spintronic devices.

研究动机与目标

• 探索超越机械剥离层状化合物的本征2D磁性材料。
• 克服在非层状磁性材料中稳定2D铁磁性的挑战。
• 在具有金属性质的2D过渡金属二硫属化物中展示长程铁磁有序。
• 为1T-FeS₂作为可行的2D金属铁磁体提供实验与理论证据。
• 为超薄自旋电子学与磁光器件开辟新途径。

提出的方法

• 采用熔盐辅助化学气相沉积（CVD）法合成1T-FeS₂，以获得超薄、单晶2D薄膜。
• 通过输运测量表征磁性性质，包括反常霍尔效应（AHE）和磁阻（MR）。
• 利用Stoner准则对观测到的铁磁有序进行理论支持。
• 从温度依赖的AHE和MR数据中提取磁各向异性和居里温度。
• 利用X射线衍射和电子显微镜进行结构与化学分析，确认1T相和化学计量比。
• 应用Landau-Zener模型解释磁滞MR行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 像FeS₂这样的非层状磁性化合物是否能在2D形式下稳定存在并表现出本征铁磁性？
• RQ2 1T-FeS₂在2D极限下是否表现出长程铁磁有序，且能否通过实验手段确认？
• RQ3 电子结构与电子关联在稳定1T-FeS₂中2D金属铁磁性方面起什么作用？
• RQ4 1T-FeS₂中的反常霍尔效应在大小和温度依赖性方面与已知的其他2D铁磁体相比如何？
• RQ5 Stoner准则能否预测1T-FeS₂中的铁磁相变，且是否与实验观测一致？

主要发现

• 通过熔盐辅助CVD成功合成了单晶2D薄膜1T-FeS₂，证实其在2D极限下的结构稳定性。
• 观测到显著的反常霍尔效应，表明存在本征自旋分裂能带和手性自旋结构。
• 测得磁滞磁阻行为，为长程铁磁有序提供了直接证据。
• 实验输运数据与基于Stoner准则的理论分析共同证实了面外铁磁有序。
• 1T-FeS₂中的2D铁磁性具有金属性质，与绝缘型2D铁磁体不同，使其在自旋电子学器件中具有潜在应用价值。
• 理论建模支持铁磁基态，计算得到的Stoner增强因子表明存在强烈的电子关联效应。