二维VSe2磁性及其应变调控研究.pdf

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二维VSe2 磁性及其应变调控研究 中文摘要 原子薄的二维(2D )范德华材料具有新颖的物理效应,柔性的特点以及高密度集成 的潜力,已经引起了基础研究和技术应用的极大兴趣。其中,2D 磁性材料的磁序能够 被层数和层间耦合机制调控,这种特征在体相中是不存在的。因此,2D 磁性材料是研 究低维自旋电子学极好的体系。然而,大多数2D 材料并非具有本征铁磁性,如早期研 究者通过磁性元素掺杂实现2D 铁磁。近几年,高质量原子薄的CrI 、CrGeTe 、Fe GeTe 3 3 3 2 的成功制备,掀起了本征二维磁性材料的研究热潮,然而,这些材料大多数都是低通量 制备且不具有空气稳定性,使得它们的直接合成和后处理加工变得更加困难,同时,较 低的居里温度也限制了其实际应用。因此,实现空气稳定且居里温度高于室温的2D 本 征铁磁性材料的高通量制备非常重要。此外,二维层状铁磁材料的磁性能够被外场(电 场和应力场)调控,如:门电压诱导电子掺杂提高居里温度T ,压力改变层堆垛构型诱 c 导磁相变,拉应力改变磁各向异性能实现磁反转等。这将为二维磁性材料在电控自旋器 件以及应力传感器等领域的应用提供了巨大机会,说明了二维磁性的调控非常有意义。 2D VSe2 作为一种层状铁磁性材料,其居里温度远高于室温,而且理论计算预测应 力可有效调控单层VSe2 的磁性,因而具有很高的研究价值。目前,对于二维VSe2 磁性 的研究仍处于起步阶段,尤其是应力对其磁性调控的实验工作并没有报道。基于此,本 论文主要开展了以下几方面的研究: (1) 通过化学气相沉积(CVD )高通量制备2D VSe ,研究了其形貌厚度随不同生 2 长条件(温度、源与基片之间的距离、原料供应量、载气流量等)的变化规律。结果发 现生长温度为540~550 °C,源基距在16~20 cm 是最佳生长窗口,在此条件下,可以获 得尺寸均匀(~ 50um ),厚度超薄(~ 4nm ),形貌平整的2D VSe2 单晶纳米片,为后续 其磁性研究提供了材料保障。 (2) 系统探究了 VSe2 的面内面外磁性随温度的变化规律,以及微观磁畴对厚度的 I 依赖关系。宏观磁性结果发现VSe 的居里温度(T )约为320K ,饱和磁化强度随温度 2 c 的升高而减小,矫顽场随温度升高整体呈现减小的趋势,在70 K 左右出现反常增大, 原因是由于电荷密度波 (CDW )转变;VSe2 纳米片的微观磁性表征显示其磁畴信号在 厚度接近单层时最强,两层时急剧下降,当厚度达到十层以上,磁畴信号几乎消失,该 结果证实了随着厚度的增加VSe2 的磁性由铁磁态转变为顺磁态。 (3) 探索了应力对 VSe2 磁性的调控规律。结果表明,无论在拉应力还是压应力作 用下,VSe2 始终保持铁磁有序,这是由于在应力作用下,决定铁磁耦合的键相互作用始 终占据主导地位。此外,施加拉应力,VSe2 磁矩增大,矫顽场减小,施加压应力,磁矩 略微减小,矫顽场基本没有变化,原因是在施加拉应力时,V 、Se 原子间距增大,使V- Se 离子相互作用强于共价相互作用,未成对电子数目增多,造成磁矩增大,而施加压应 力时,V 、Se 间距减小,共价作用增强,未成对电子数目减少,造成磁矩减小。 关键词:2D 磁性,2D VSe2 ,室温铁磁,微观磁畴,应力调控 II 目 录 中文摘要 I ABSTRACT III 1 绪论1 1.1 引言1

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