上海交通大学贾金锋教授团队：二维Cr(1+δ)Te2 薄膜的可控相变
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Citation
Controllable phase transition of two-dimensional ferromagnetic chromium telluride thin films grown by molecular beam epitaxy
Haili Huang, Jinbo Shen, Jiayi Chen, Qia Shen, Gaoting Lin, Zhen Zhu, Jiangtao Wu, Jie Ma, Hao Yang, Xiaoxue Liu, Liang Liu, Dandan Guan*, Shiyong Wang, Yaoyi Li, Canhua Liu, Hao Zheng, Yunhao Lu and Jinfeng Jia*
Quantum Frontiers 2, 12 (2023)
https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00037-x
研究背景
二维铁磁材料由于其独特的磁特性及其在信息存储技术、自旋电子器件和量子计算中的广泛应用，从而吸引了许多关注。先前的研究工作表明，二维铁磁性可以通过外部引入铁磁序进非磁二维材料的方式来实现。然而这些通过外部引入磁矩的方式通常不易控制，且获得的磁矩是短程的，难以通过交换相互作用在局域磁矩间形成长程关联，因此不利于实际应用。 化合物作为一种新兴的二维本征磁性材料，其本征长程磁序以及室温居里温度已被实验所证实。然而由于 相图的复杂性，导致其高质量生长及可控晶体相的实现仍然面临着挑战。因此，系统深入地研究 薄膜的生长机制，有望为 化合物在自旋器件中的实际应用探索提供更多的机会。
研究进展
上海交通大学物理与天文学院贾金锋教授团队利用分子束外延生长技术，通过精确调节薄膜厚度以及生长温度，在Si (111) 7 × 7衬底上实现了二维 薄膜的可控晶体相变。在较低生长温度区间内(250℃~290℃)，当薄膜厚度超过临界厚度2层时， 薄膜由- 相转变为 相。当提高生长温度至较高温度区间时(370℃~390℃)， 薄膜为 相，不随薄膜厚度发生相变，但当薄膜厚度超过2层后，其生长模式由双层转变为单层。结合DFT计算，证明了在 薄膜中所发现的相变及生长模式转变，均起源于薄膜与衬底的界面效应以及不同 相间的总能量差异。他们的研究表明，薄膜厚度以及生长温度可以显著地影响 薄膜的生长，为可控地构造二维铁磁材料提供一条有效的路径。
研究亮点
1、结合原位STM/STS和RHEED以及非原位XPS和XRD等表征手段，证实了 薄膜相变与生长模式转变对生长温度与薄膜厚度的依赖关系。
2、结合DFT理论计算，证实了 薄膜相变以及生长模式转变归因于衬底效应及不同 相间的总能量差异。
图文导读
图1. 薄膜的晶体结构以及RHEED条纹演化。(a-b) -(a) 以及 (b)的晶体结构示意图。(c) Si (111) - 7×7 衬底以及在不同衬底温度下生长2.2层 薄膜后对应的RHEED条纹。(d) 沿图(c)中虚线获得的RHEED强度截线图。黑色虚线方框标记出2×1条纹。(e) 薄膜2×1 RHEED条纹强度随生长温度的变化曲线。
图2. 250 °C下生长的 薄膜的STM/STS表征。(a, b, f) 2.2层(a), 1.6层(b)以及多层(f) 薄膜的STM图像。图(b)中的黄色、红色及绿色实心圆分别表示1层、2层及3层台面，插图显示了相应的RHEED条纹以及对应红色截线位置的台阶高度，该RHEED图案仅表现出- 相的1×1衍射条纹。图(f)中的RHEED图案插图呈现出与 相相关的强2×1衍射条纹。 (c-e) 1层(c)、2层(d)、3层(e) 薄膜的原子像。插图显示了相应的FFT图像。 (g) 在1到3层 薄膜上测得的隧穿谱。
图3. 薄膜的XPS测量以及单个原子的插入能计算。(a-b) 250℃下生长的1.6层及厚层（12nm） 薄膜的XPS谱图。(c-d) DFT计算富的 结构及其相应的单个原子的插入能。粉色球标记了单个(c)及双个(d)的过量插层原子。
图4. 370 °C下生长的 薄膜的STM/STS表征及VSM测量。(a-b) 370℃下生长的2.2层及多层 薄膜的STM形貌图。插图为相应的原子分辨图，显示清晰的2×1重构晶格。(c-d) 图(a-b)中红线位置处对应的高度截线图。(e-f) 外延层上实验测量的STS及DFT计算得到的态密度。(g) 30nm 膜的XRD图谱。(h) 30nm 薄膜在500 Oe面外磁场条件下测得的温度依赖的磁化率。插图为从FC曲线中提取的微分磁化率随温度的变化。(i) 磁场垂直于表面时，不同测量温度下对应的磁滞回线。
作者简介
第一作者
黄海俐 博士研究生
上海交通大学李政道研究所
通讯作者
管丹丹 副研究员
上海交通大学物理与天文学院
主要研究方向
低维材料与物理，利用角分辨光电子能谱研究低维材料的新颖量子现象，表面/界面的电子结构和性质等。
主要研究成果
在拓扑绝缘体、石墨烯和半金属表面和界面的电子态研究方面取得了一系列的成果。共发表SCI文章80余篇，文章被引用5400多次。2014年入选浦江人才计划，2019年获得国家自然科学二等奖（第五获奖人）。
通讯作者
贾金锋 教授
上海交通大学物理与天文学院
主要研究方向
拓扑绝缘体及拓扑超导，Majorana零能模及拓扑量子计算，界面超导，低维材料与物理。
主要研究成果
贾金锋教授长期致力于量子材料的研究，以量子材料的可控制备为基础，在新物性探索和性能调控方面取得了系统性的创新成果。共发表SCI文章300余篇，其中Science 5篇，Nature Mater. 3篇，Nature Phys. 3篇，Phys. Rev. Lett. 29篇，Adv. Mater. 6篇，APL/PRB 50多篇，综述文章3篇。文章被引用17000多次，入选2018-2021年“全球高被引学者”。实验证实超导态‘分段费米面’工作入选2022年度中国科学十大进展。
三次获得国家自然科学二等奖，获1996年国家教育委员会科技进步一等奖、2016年教育部自然科学奖一等奖及2017年教育部自然科学特等奖、2011年香港求是科技基金会“杰出科技成就集体奖”、2013年全球华人物理和天文学会“亚洲成就奖”等奖励。2021年入选中国科学院院士。
Email: jfjia@sjtu.edu.cn
往期回顾
上海交通大学贾金锋教授团队: 1T′-MoTe2/SrTiO3异质结中发现界面超导效应
上海交通大学叶芳伟教授等合作团队:拓扑增强石墨烯纳米带异质结的非线性光学响应
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