[论文解读] Cold Seeded Epitaxy and Flexomagnetism in Smooth GdAuGe Membranes Exfoliated from graphene/Ge(111)

Zachary LaDuca, Tamalika Samanta+8 more|Zenodo (CERN European Organization for Nuclear Research)|Jun 8, 2024

Quantum and electron transport phenomena参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究提出一种冷种子外延方法，在石墨烯/Ge(111)上外延生长出光滑、单晶的GdAuGe膜，实现原子级平整界面的剥离，形成几纳米厚的薄膜。关键结果是在波纹状膜中观测到由应变梯度驱动的反铁磁向亚铁/铁磁相变，首次在超薄量子材料中证实了弹性磁性效应。

ABSTRACT

Remote and van der Waals epitaxy are promising approaches for synthesizing single crystalline membranes for flexible electronics and discovery of new properties via extreme strain; however, a fundamental challenge is that most materials do not wet the graphene surface. We develop a cold seed approach for synthesizing smooth intermetallic films on graphene that can be exfoliated to form few nanometer thick single crystalline membranes. Our seeded GdAuGe films have narrow x-ray rocking curve widths of 9-24 arc seconds, which is two orders of magnitude lower than their counterparts grown by typical high temperature methods, and have atomically sharp interfaces observed by transmission electron microscopy. Upon exfoliation and rippling, strain gradients in GdAuGe membranes induce an antiferromagnetic to ferri/ferromagnetic transition. Our smooth, ultrathin membranes provide a clean platform for discovering new flexomagnetic effects in quantum materials.

研究动机与目标

• 为克服金属在石墨烯上高温外延生长过程中常见的脱湿和润湿性差问题。
• 开发一种在石墨烯上生长光滑、单晶金属间化合物薄膜并精确控制化学计量比的方法。
• 实现超薄膜的剥离，以研究量子材料中极端应变效应。
• 探究二维类似膜中应变梯度诱导的磁性相变。
• 建立一种可推广的石墨烯上复杂金属间化合物外延通用方法。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术，在室温（30 °C）下沉积5 nm厚的GdAuGe种子层，以抑制表面扩散并确保均匀成核。
• 随后在480 °C下退火，使种子层再结晶并平整表面，形成高质量的外延模板。
• 在480 °C下继续生长，获得16 nm厚的GdAuGe薄膜，其具有清晰的RHEED衍射图案和狭窄的X射线摇摆曲线半高宽（9–24弧秒）。
• 利用聚合物手柄将薄膜从石墨烯/Ge(111)衬底上剥离，形成连续的、几纳米厚的膜。
• 膜的波纹结构引入了应变梯度，通过在2 K下进行磁化率测量进行探测。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算比较应变下铁磁与反铁磁态的能量差。

Figure 1: Cold seeded epitaxy of GdAuGe on graphene. (a) RHEED pattern of graphene on Ge (111), after annealing at $600\degree$ C to remove surface adsorbates. All RHEED patterns are recorded along a Ge $\langle 110\rangle$ zone axis at a beam energy of 15 kV. (b) 5 nm thick seed of GdAuGe grown at

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯上采用冷种子技术是否能克服金属在高温外延生长中常见的脱湿和润湿性差问题？
• RQ2 与传统高温生长相比，冷种子方法是否能获得更低的域错密度和更高的晶体质量？
• RQ3 剥离的GdAuGe膜中的应变梯度是否能诱导从反铁磁向亚铁/铁磁有序的相变？
• RQ4 所观测到的磁性相变是由均匀应变还是应变梯度（即弹性磁性）驱动的？
• RQ5 该方法是否可推广至其他金属间化合物或Heusler化合物，以实现柔性量子材料的制备？

主要发现

• 冷种子GdAuGe薄膜的X射线摇摆曲线半高宽为9–24弧秒，比高温生长的同类样品窄两个数量级。
• 透射电子显微镜证实GdAuGe与石墨烯之间具有原子级平整的界面，表明外延质量优异。
• 剥离的膜在2 K下表现出明显的磁滞回线，表明波纹化后出现亚铁/铁磁有序。
• 波纹膜中的最大应变梯度估计为±36%每微米，远高于典型应变诱导相变的水平。
• DFT计算表明，峰值应变（±0.36%）比诱导铁磁有序所需的均匀应变小一个数量级，支持弹性磁性机制。
• GdAuGe膜中的磁性相变与先前在GdPtSb中观测到的现象类似，证实了应变梯度驱动的弹性磁性效应。

Figure 2: Comparison of low temperature seeded growth versus direct high temperature growth of GdAuGe on graphene/Ge (111). (a) X-ray diffraction scan (Cu $K\alpha$ ) of a film grown using the low temperature seed approach (blue) versus a film grown directly at high temperature (black). Insert shows