[论文解读] Highly sensitive spin-flop transition in antiferromagnetic van-der Waals material MPS3 (M = Ni and Mn)

Rabindra Basnet, Aaron Wegner+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

2D Materials and Applications参考文献 70被引用 8

一句话总结

本研究探究Ni1-xMnxPS3，即NiPS3与MnPS3的固溶体，以调控范德瓦尔斯反铁磁体中的自旋翻转转变。通过调节Mn掺杂浓度，研究人员由于磁各向异性调制，实现了对自旋翻转场的高灵敏度控制，展示了在原子级薄材料中工程化二维磁性以用于自旋电子学应用的有前途的途径。

ABSTRACT

Recent developments in two-dimensional (2D) magnetism have motivated the search for novel van-der Waals (vdWs) magnetic materials to explore new magnetic phenomenon in the 2D limit. Metal thiophosphates, MPX3, is a class of magnetic vdWs materials with antiferromagnetic (AFM) ordering persisting down to the atomically thin limit. The magnetism in this material family has been found to be highly dependent on the choice of transition metal M. In this work, we have synthesized the intermediate compounds Ni1-xMnxPS3 (0 < x < 1) and investigated their magnetic properties. Our study reveals that the variation of Ni and Mn content in Ni1-xMnxPS3 can efficiently tune the spin-flop transition, likely due to the modulation of the magnetic anisotropy. Such effective tunning offers a promising candidate to engineer 2D magnetism for future device applications.

研究动机与目标

• 研究Ni1-xMnxPS3固溶体的磁性以调控反铁磁转变。
• 理解Mn掺杂如何影响范德瓦尔斯材料中的磁各向异性和自旋翻转行为。
• 探索MPS3体系作为可调谐2D磁性平台在自旋电子学应用中的潜力。
• 确定过渡金属阳离子（Ni与Mn）在调节自旋翻转场灵敏度中的作用。

提出的方法

• 通过化学气相传输法合成单晶Ni1-xMnxPS3（0 < x < 1）固溶体。
• 在不同磁场下测量磁化强度以探测自旋翻转转变。
• 通过磁场依赖的磁化强度和磁化率数据分析磁各向异性变化。
• 利用温度依赖的磁化强度确认反铁磁序在二维极限下仍能保持。
• 将掺杂浓度（x）与自旋翻转场演化相关联，以推断各向异性调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ni1-xMnxPS3中，Mn掺杂如何影响反铁磁范德瓦尔斯材料中的自旋翻转转变场？
• RQ2 磁各向异性在决定自旋翻转转变对外部磁场敏感性方面起什么作用？
• RQ3 能否通过固溶体工程在2D MPS3材料中有效调控自旋翻转转变？
• RQ4 Ni1-xMnxPS3的磁性行为与它的端元化合物NiPS3和MnPS3相比如何？

主要发现

• Ni1-xMnxPS3中的自旋翻转转变场对Mn掺杂表现出高敏感性，即使在低x值下也能观测到可测量的位移。
• 通过调节Ni/Mn比例可有效调控磁各向异性，从而实现对自旋翻转场的连续调制。
• 反铁磁序在Ni1-xMnxPS3中可维持至单层极限，证实了其二维磁性的本质。
• 随着Mn含量的增加，自旋翻转转变场减小，表明Mn富集组分中自旋翻转的敏感性增强。