[论文解读] Magnetic Behavior and Spin-Lattice Coupling in Cleavable, van der Waals Layered CrCl3 Crystals

Michael A. McGuire, Genevieve Clark+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

2D Materials and Applications被引用 45

一句话总结

本研究调查了可剥离的范德华层状CrCl3晶体的磁行为及自旋-晶格耦合，揭示了两步磁有序过程：在约17 K时形成铁磁关联，随后在14 K时出现长程反铁磁有序。单层和少层CrCl3成功被机械剥离，为未来探索具有可调自旋与晶格耦合的超薄磁性异质结构提供了可能。

ABSTRACT

CrCl3 is a layered insulator that undergoes a crystallographic phase transition below room temperature and orders antiferromagnetically at low temperature. Weak van der Waals bonding between the layers and ferromagnetic in-plane magnetic order make it a promising material for obtaining atomically thin magnets and creating van der Waals heterostructures. In this work we have grown crystals of CrCl3, revisited the structural and thermodynamic properties of the bulk material, and explored mechanical exfoliation of the crystals. We find two distinct anomalies in the heat capacity at 14 and 17 K confirming that the magnetic order develops in two stages on cooling, with ferromagnetic correlations forming before long range antiferromagnetic order develops between them. This scenario is supported by magnetization data. A magnetic phase diagram is constructed from the heat capacity and magnetization results. We also find an anomaly in the magnetic susceptibility at the crystallographic phase transition, indicating some coupling between the magnetism and the lattice. First principles calculations accounting for van der Waals interactions also indicate spin-lattice coupling, and find multiple nearly degenerate crystallographic and magnetic structures consistent with the experimental observations. Finally, we demonstrate that monolayer and few-layer CrCl3 specimens can be produced from the bulk crystals by exfoliation, providing a path for the study of heterostructures and magnetism in ultrathin crystals down to the monolayer limit.

研究动机与目标

• 表征通过助熔法生长的体相CrCl3晶体的磁学与结构特性。
• 利用比热和磁化率测量研究磁有序转变的本质。
• 通过磁化率异常现象与第一性原理计算探究自旋-晶格耦合。
• 展示CrCl3可被机械剥离为单层和少层纳米片，适用于范德华异质结构。
• 构建在不同温度与磁场条件下CrCl3的磁相图。

提出的方法

• 采用助熔法生长高质量CrCl3单晶，并进行后续的结构与热力学表征。
• 在不同温度与磁场下测量比热与磁化率，以识别相变行为。
• 利用原子力显微镜（AFM）与光学对比度分析确定剥离纳米片的层数。
• 采用包含范德华修正的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟晶体结构、磁态及自旋-晶格耦合。
• 分析晶体学相变点处磁化率的异常，以探测自旋-晶格耦合。
• 基于外加磁场下比热与磁化率数据，构建磁相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 CrCl3的磁有序转变具有何种性质？是否经历多步过程？
• RQ2 磁化率在晶体学相变点如何响应，以指示自旋-晶格耦合？
• RQ3 第一性原理计算在多大程度上能再现CrCl3的实验晶体结构与磁基态？
• RQ4 能否可靠地从体相晶体中剥离出单层与少层CrCl3，以用于范德华异质结构？
• RQ5 外加磁场如何影响CrCl3的磁相变？这揭示了怎样的磁相图特征？

主要发现

• 在14 K与17 K处观察到比热的两个显著异常，证实存在两步磁有序过程：约17 K时首先形成铁磁关联，随后在14 K时出现长程反铁磁有序。
• 磁化率测量显示，当外场沿面内方向时，在约150 Oe附近出现自旋翻转转变，且在数kOe的磁场下可实现磁矩完全极化。
• 在晶体学相变点（140 K）处磁化率出现微小异常，表明晶格自由度与磁自由度之间存在耦合。
• 包含范德华相互作用的第一性原理计算仅在引入磁性时才能准确再现实验晶体结构，证实了自旋-晶格耦合的存在。
• 成功剥离出单层与少层CrCl3纳米片，测得的台阶高度约为0.6 nm，证实单层厚度为0.58 nm。
• 显微图像中的光学对比度与层数相关，可实现定性厚度判读，且图5c插图中明确识别出单层样品。