范德华磁体CrBr3的相变及磁结构调控研究

在CrI₃和CrCl₃体系中被广泛证实的层间不同堆垛结构将引起磁耦合变化这一新奇的物性，为磁结构调控提供了一种新的维度。然而，作为同构体的CrBr₃材料，其晶体和剥离薄片均表现为稳定的铁磁基态。那么，CrBr₃与CrI₃（CrCl₃）之间的本质区别是什么？是否存在有效的手段来对CrBr₃的磁序进行调控，从而为我们提供一个探索物性和相关器件的新平台？近日，北京大学叶堉长聘副教授、北京理工大学徐晓龙准聘教授与华南师范大学陈祖信研究员等合作利用热辅助应力诱导相变工程在剥离CrBr₃中实现了晶格及磁序调控，并在原子尺度证实了磁结构与晶格结构对应关系。

与CrI₃和CrCl₃晶体在低温下发生晶格结构相变不同，早期的工作曾预测CrBr₃可能在室温以上经历这种结构相变，然而从未在实验中被证实。对其相变及磁结构的调控并在原子尺度确认晶格堆垛和磁结构的对应关系仍然充满挑战。这项研究成果通过调控二维磁性材料CrBr₃的层间堆垛结构，为在该体系中引入了新的磁性相及其在自旋电子器件中的应用开辟了新的前景。

图1. CrBr₃室温和变温晶格结构相变，及对CrBr₃实施热辅助应力调控的示意图。

研究团队利用变温X射线衍射（XRD）测量揭示了样品在378 K附近发生的结构相变，并设计了一种热辅助应力调控方案（图1），即在高温（423 K）热板下对解离在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的CrBr₃晶体施加应力诱导出稳定存在的高温相样品，并随后将其转移至衬底进行后续表征。室温剥离的CrBr₃薄片展现出稳定的FM基态。然而，高温施加应变的样品，其主要展现出两种代表性的磁序：纯AFM基态（具有0信号平台）以及FM和AFM共存基态（图2）。研究团队推测从FM到AFM的磁基态改变来源于晶格结构的变化；FM-AFM共存的磁基态来源于不完全相变的混合相晶格结构。第一性原理的计算结果表明支持了这一推论，即M相的堆垛对应反铁磁基态，R相的堆垛对应铁磁基态（图2）。

图2. 解离CrBr₃薄片展现出的稳定FM、AFM和FM-AFM共存磁基态。

通过球差矫正的扫描透射电子显微镜（STEM）表征，研究团队确认不同磁基态与晶格堆垛之间的准确对应关系（图3）。FM样品展现出大面积高质量分布的菱斜相结构；AFM样品展现出条状分布的单斜相结构；FM-AFM共存样品展现出较为复杂的全新周期结构。7层R相和7层M相CrBr₃在垂直方向堆叠之后的原子像模拟，与实验上的原子衬度分布具有几乎一致的图像。这意味着磁结构共存的样品，其晶格结构在垂直方极有可能存在R和M相的混合分布。以上对于剥离薄层CrBr₃的磁圆二向色性谱的测量、原子分辨晶格结构的表征、第一性原理的计算结果共同证实了在CrBr₃体系中热辅助应力调控方案对于诱导晶格结构/磁结构相变的有效调控，同时首次在原子尺度证实了可控磁相变是来源于晶格堆垛的相变，准确揭示了其晶格-磁对应关系。此外，通过设计扫场方式，FM-AFM共存磁基态中交换偏置现象的稳定存在使得混合相CrBr₃体系在探索和调控界面物性及开发基于EB效应的自旋电子器件方面具有重要的应用潜力（图4）。

图3. FM、AFM和FM-AFM共存磁基态CrBr₃样品对应的STEM表征及原子模拟。

图4. 2 K下FM-AFM共存磁基态CrBr₃样品中的交换偏置效应。

这一研究成果发表在著名期刊Journal of the American Chemical Society 上，北京大学博雅博士后杨诗祺和北京理工大学徐晓龙准聘教授（共同通讯作者）为共同第一作者。华南师范大学陈祖信研究员提供了高质量CrBr₃样品，文章的合作者还包括北京大学杨金波教授、高鹏教授和中国科学院大学周武教授等。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Controlling the 2D Magnetism of CrBr₃ by van der Waals Stacking Engineering

Shiqi Yang, Xiaolong Xu*, Bo Han, Pingfan Gu, Roger Guzman, Yiwen Song, Zhongchong Lin, Peng Gao, Wu Zhou, Jinbo Yang, Zuxin Chen*, and Yu Ye*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 28184–28190, DOI: 10.1021/jacs.3c10777

导师介绍

叶堉

https://www.x-mol.com/university/faculty/60220 

徐晓龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/376757