[论文解读] Magnetoresistance oscillations in vertical junctions of 2D antiferromagnetic semiconductor CrPS$_4$

Pengyuan Shi, Xiaoyu Wang+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2024

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究报告了在二维反铁磁半导体CrPS₄的垂直结中观测到磁阻（MR）振荡，该体系此前被认为由于其绝缘特性而无法产生此类量子振荡。振荡源于自旋倾斜态和能隙内电子态，实验证据表明其根本机制为局域态的自旋选择性层间跃迁，证明范德华磁体可表现出非传统的量子输运现象。

ABSTRACT

Magnetoresistance (MR) oscillations serve as a hallmark of intrinsic quantum behavior, traditionally observed only in conducting systems. Here we report the discovery of MR oscillations in an insulating system, the vertical junctions of CrPS$_4$ which is a two dimensional (2D) A-type antiferromagnetic semiconductor. Systematic investigations of MR peaks under varying conditions, including electrode materials, magnetic field direction, temperature, voltage bias and layer number, elucidate a correlation between MR oscillations and spin-canted states in CrPS$_4$. Experimental data and analysis point out the important role of the in-gap electronic states in generating MR oscillations, and we proposed that spin selected interlayer hopping of localized defect states may be responsible for it. Our findings not only illuminate the unusual electronic transport in CrPS$_4$ but also underscore the potential of van der Waals magnets for exploring interesting phenomena.

研究动机与目标

• 研究在绝缘二维反铁磁半导体（特别是CrPS₄）中磁阻（MR）振荡的起源，此类振荡在传统绝缘体中本不应出现。
• 确定MR振荡是源于CrPS₄的本征性质，还是源于石墨烯电极中诱导的近邻态等外部效应。
• 探讨能隙内电子态与自旋倾斜在实现范德华异质结中非单调MR行为中的作用。
• 在不同外部参数（包括磁场方向、温度、电压偏置和层厚度）下，验证MR振荡的鲁棒性。
• 阐明振荡背后的输运机制，特别是局域态中自旋选择性层间跃迁的贡献。

提出的方法

• 采用在石墨烯或NbSe₂电极之间封装hBN层的CrPS₄薄片制备垂直结，以隔离CrPS₄与电极的直接接触。
• 在低温（2 K）下系统测量电流-电压（IV）特性与磁阻（MR）随磁场、温度和电压偏置的变化。
• 采用多种器件结构，包括石墨烯/hBN/CrPS₄/hBN/石墨烯和NbSe₂/CrPS₄/NbSe₂，以排除电极引起的效应。
• 通过插入hBN层抑制CrPS₄向石墨烯的近邻效应，确认MR振荡源于CrPS₄本身。
• 测量磁场方向平行和垂直于c轴时的磁阻依赖性，以探测各向异性和自旋倾斜效应。
• 分析温度依赖的MR，将振荡与CrPS₄的奈尔转变温度（约38 K）相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏自由载流子的绝缘二维反铁磁半导体（如CrPS₄）中，磁阻振荡是否可能发生？
• RQ2 所观测到的MR振荡的起源是什么——局域电子态、自旋倾斜，还是电极中的近邻效应？
• RQ3 振荡行为如何依赖于磁场方向、温度和层厚度？
• RQ4 CrPS₄中的输运机制是否与局域态的自旋选择性层间跃迁一致？
• RQ5 能隙内电子态在该绝缘体系中实现非单调MR行为中起到何种作用？

主要发现

• 在少层CrPS₄的垂直结中稳健观测到MR振荡，即使在2 K下且磁场平行或垂直于c轴时亦成立，表明其具有强各向异性鲁棒性。
• 当温度高于奈尔温度（约38 K）时，振荡完全消失，证实其与长程反铁磁序及自旋倾斜密切相关。
• 单层CrPS₄中未观测到MR振荡，而单层CrPS₄为铁磁性，表明该振荡特异性地存在于A型反铁磁相。
• 在石墨烯与CrPS₄之间插入薄hBN层后，MR振荡依然存在，排除了石墨烯中近邻诱导态作为振荡起源的可能性。
• 在NbSe₂/CrPS₄/NbSe₂器件中，MR振荡始终可观测，证实该效应为CrPS₄的本征特性，不依赖于电极材料。
• 数据支持一种机制：即局域能隙态的自旋选择性层间跃迁，振荡源于自旋倾斜磁态中的量子干涉。