近年来，二维磁性材料由于其丰富的晶体结构和独特的物理性质，在基础研究和潜在应用领域受到了研究者的广泛关注。二维磁性材料的发现不仅为探索奇异的物理现象提供了理想的平台，也为下一代自旋电子器件的研发提供了坚实的基础。然而，目前二维磁性材料的种类相当有限，且大多具有较差的环境稳定性、较低的尺度和厚度可控性，制备过程也相对复杂，这些都极大地限制了它们在下一代自旋电子器件开发中的研发与应用。因此，探索稳定性更好的新型二维磁性材料及简便且可控的合成方法，对于该领域的进一步研究与开发具有重要的意义与价值。
日前，北京理工大学物理学院姚裕贵教授课题组周家东教授与南洋理工大学刘政教授，南方科技大学林君浩教授及哈尔滨工业大学李兴冀教授合作在新型二维磁性材料方面取得重要进展。相关成果以 “Phase engineering of Cr₅Te₈ with colossal anomalous Hall effect”于 4月25日发表于国际顶尖学术期刊《Nature Electronics》。

图1. 非层状二维磁性Cr₅Te₈的相控合成与基础表征
Cr₅Te₈相结构的可调性源于其三方相和单斜相形成能的差异。三方Cr₅Te₈属于 P-3m1 空间群，而单斜Cr₅Te₈属于 C2/m 空间群（图1a-b）。因此，CVD过程中的生长温度对于实现相变至关重要。在较高温度下，三方Cr₅Te₈将成为主要相，而降低温度则有更利于单斜相的形成。此外，考虑到三方相中Te浓度略高于单斜相(61.5-62.0 at. % Te vs 59.6-61.5 at. % Te)，较高的温度也有利于Te前驱体的蒸发，确保足够量的Te反应并进入到Cr-Te基体中，从而获得三方相Cr₅Te₈纳米片。从光学和原子力显微镜图像可以看出，具有不同相结构的Cr₅Te₈纳米片由于不同的晶格对称性也展现出了不同的形貌特征，三方相多为六边形，单斜相则多为平行四边形(图1c-f)。XPS和RMCD等表征结果初步确认了纳米片的组分与磁性。三方和单斜Cr₅Te₈纳米片在低温下都展现出矩形磁滞回线，清楚地表明了其具有垂直磁各向异性的铁磁性。此外，在同等厚度下，单斜相展现出更大的矫顽力和居里温度，表明Cr₅Te₈晶体中的强相依赖性磁序（图1h-i）。

图2. 三方相与单斜相Cr₅Te₈纳米片的STEM表征
三方Cr₅Te₈和单斜Cr₅Te₈的晶体结构，相当于以CrTe₂为骨架，在其层间引入1/4的Cr原子而形成的。不同之处在于，在三方相中相邻两个插层中的Cr分布完全一致，而单斜相中相邻两个插层中的Cr是交替排布的，后者在错排的同时会产生结构畸变，诱发三方相转变为单斜相（如图1a-b）。图2b和f显示不同相结构的成分分布均匀，且二者成分差别不大。为区分出两种相结构，研究团队采用选区电子衍射以及高分辨HAADF-STEM成像的方法进行了深入的研究。由于两种相结构中插层Cr分布的差异，在电子衍射中会产生不同的超点阵，根据衍射图像可以明确区分出具有三重对称的三方相Cr₅Te₈以及两重对称的单斜相Cr₅Te₈（图2a和e）。更进一步地， 高分辨HAADF-STEM成像清晰地给出了两种相结构在原子尺度上的衬度差异。不同方向的原子衬度分布（图2d和h）与结构模型中插层Cr原子的位置以及对应的QSTEM模拟结果完全吻合，从而证实了CVD方法可以实现Cr₅Te₈相结构的调控。

图3. 二维Cr₅Te₈磁输运测量
为了确认和分析二维Cr₅Te₈的铁磁性，研究团队选取不同晶相和不同厚度的材料制备了霍尔器件。厚度为6 nm的三方相与单斜相Cr₅Te₈纵向电阻在降温过程中表现出明显的相变过程，电阻-温度曲线的一阶导数的峰值位置表明三方相与单斜相Cr₅Te₈样品的居里温度分别为125 K和150 K（图3b）。在居里温度以下，三方相与单斜相Cr₅Te₈在外磁场作用下霍尔电阻发生跳变，并呈现出明显的滞洄现象，再次证明了二维Cr₅Te₈面外的自发磁化和铁磁长程有序（图3c和d）。通过分析矫顽场随温度的变化关系，再次确认了不同晶相和不同厚度Cr₅Te₈的居里转变温度（图3e和f）。

图4. 二维Cr₅Te₈的反常霍尔效应
通过反常霍尔测试结果，研究团队进一步提取出了二维Cr₅Te₈的反常霍尔角，其中三方相的二维Cr₅Te₈霍尔角为2.7%，单斜相的为5%，高于传统铁磁材料，且远大于块体Cr₅Te₈的反常霍尔角（图4a）。通过标度关系分析二维Cr₅Te₈反常霍尔效应的产生机制，发现不同厚度和不同晶相Cr₅Te₈样品的反常霍尔电导都正比于其纵向电导的平方，表明反常霍尔效应产生机制中起主要贡献的是斜散射机制和本征机制（图4b），其中斜散射机制贡献的指数因子相比传统铁磁材料铁和镍提高了两个数量级。较高的斜散射指数因子以及反常霍尔电导与纵向电导之间二次方的标度关系使得二维Cr₅Te₈在合理的纵向电导范围内更容易实现较大的反常霍尔电导，比如当纵向电导率为2× 10⁵ Ω^?1 cm^?1时，二维Cr₅Te₈就可以实现45度的反常霍尔角，而传统铁磁材料则需要大于10⁸ Ω^?1 cm^?1的电导率才可获得相同的反常霍尔角（图4c）。

图5. 三方和单斜Cr₅Te₈电子结构和磁序的差别
最后，研究团队基于第一性原理方法研究了Cr₅Te₈材料体系的基态电子结构和磁序。三方和单斜Cr₅Te₈同为Stoner铁磁金属体系，Stoner参数分别为1.01和1.14，单斜相具有更强的Stoner铁磁耦合特征。通过分析磁各向异性可知，两种结构易磁化方向均为面外方向。依赖于CrTe正八面体的结构畸变，单斜Cr₅Te₈表现出明显的非共线磁性特征（图5d-e）。该工作获得了具有巨反常霍尔角的二维磁性材料Cr₅Te₈，有望推动二维极限下量子反常霍尔效应的实现，对于新一代霍尔器件，尤其是量子反常霍尔器件尤为重要。
该工作得到了国家自然科学基金，海外高层次人才与北京理工大学校创新基金等相关项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00754-6