河南大学能源与量子材料课题组: CrSBr 三轴磁各向异性起源与调控

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河南大学能源与量子材料课题组: CrSBr 三轴磁各向异性起源与调控

研究背景

自旋电子学由于具有更快的处理速度、超低的散热、更密集的存储密度、更低的功耗和非易失性等优点而受到广泛关注。随着自旋电子器件小型化的需要，本征二维铁磁半导体材料因其可满足电荷和自旋独立控制的需求，一度成为纳米级自旋电子学最有希望的候选材料。

然而，Mermin-Wagner 定理表明，二维长程各向同性铁磁性是脆弱的，常常被热波动破坏。CrI3 单层和 Cr2Ge2Te6双层实验中的合成打破了 Mermin-Wagner 理论，并为研究纳米级自旋电子器件开辟了新平台。进一步分析表明，磁各向异性是二维磁性磁疗存在的根本原因。

磁各向异性可以通过磁各向异性能来衡量，主要由两个因素决定：一个是自旋轨道耦合相互作用（SOC-MAE）引起的磁晶各向异性，另一个是磁偶极子引起的形状各向异性（shape-MAE）。

与 SOC-MAE 相比，shape-MAE 通常相对较弱，关注度较低。但是对于具有弱 SOC-MAE 的二维系统，shape-MAE 可能有重要贡献。MAE 越大，磁有序对热波动的抵抗力越强，这可以提高磁信息的稳定性。但是目前缺少对磁各项异性的微观分析。

论文详情

近日河南大学多铁团队通过对自旋轨道耦合作用产生的磁晶各向异性和磁偶极子相互作用引起的形状各向异性的微观推导和分析。成功解释了高温铁磁半导体的 CrSBr 体系的三轴磁各向异性产生的原因。为以后磁各向异性的研究提供了新思路。
通常情况下，我们在研究磁各向异性的时候仅考虑磁晶各向异性能，但在 CrSBr 体系中我们理论的结果和实验是不一致的。如表一所示，在我们考虑了形状各向异性后和实验的结果一致，这说明形状各向异性在本体系中起到了很大的作用。
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表一. CrSBr 块体和单层的 沿着 [100], [010], and [001] 的 SOC-MAE, Shape-MAE 和 Total-MAE (μeV/Cr)

此外，应变是调控磁各向异性的有效手段。我们通过对 CrSBr 单层施加单轴和双轴应变，可以使易磁轴在不同方向切换。产生这种现象的的主要原因是在应变下不同原子轨道对 MAE 的贡献发生了变化。尤其是 Cr 的的轨道的变化最大。

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图一. 不同应变下 CrSBr 单层中 Cr、S 和 Br 原子沿 [100] 方向 (a) 和 [010] 方向 (b) 的 p 轨道和 d 轨道对 MAE 的贡献。

相关成果以 “Origin and regulation of triaxial magnetic anisotropy in the ferromagnetic semiconductor CrSBr monolayer”(《CrSBr 三轴磁各向异性的起源与调控》)为题发表在英国皇家化学会期刊Nanoscale 上。

河南大学能源与量子材料课题组: CrSBr 三轴磁各向异性起源与调控

第一作者是河南大学物理与电子学院的王冰副教授，张光彪老师、张云庚老师和刘畅老师为本文的通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金委等项目的支持。

论文信息

  • Origin and regulation of triaxial magnetic anisotropy in the ferromagnetic semiconductor CrSBr monolayer
    Bing Wang, Yaxuan Wu, Yihang Bai, Puyuan Shi, Guangbiao Zhang*, Yungeng Zhang* and Chang Liu*

    Nanoscale, 2023, 15, 13402-13410
    http://doi.org/10.1039/D3NR02518G

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相关期刊

河南大学能源与量子材料课题组: CrSBr 三轴磁各向异性起源与调控
A high impact, peer reviewed journal publishing experimental and theoretical work across the breadth of nanoscience and nanotechnology
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rsc.li/nanoscale

Nanoscale

2-年影响因子* 6.7分
5-年影响因子* 6.8分
最高 JCR 分区* Q1物理-应用
CiteScore 分† 13.6分
中位一审周期‡ 38 天

Nanoscale发表有关纳米科学和纳米技术的高质量研究报道，包括各种跨学科的实验研究和理论研究，涉及的研究主题有纳米结构和纳米材料的合成、功能纳米材料和生物组装体的表征、纳米材料的性质、自组装和分子组织、复杂的杂化纳米结构、纳米复合材料、纳米颗粒、纳米晶体、纳米团簇、纳米管、纳米线、纳米催化、纳米理论建模、纳米电子学和分子电子学、纳米光子学、纳米芯片、纳米传感器、纳米流体和纳米加工、碳基纳米材料和装置、纳米仿生材料、纳米生物技术／生物纳米材料、纳米医学、纳米技术的监管方法和风险评估等等，对物理、化学、生物学、医学、材料、能源／环境、信息技术、检测科学、医疗保健和药物研发、电子工程等领域的科研人员具有广泛的吸引力。该刊由英国皇家化学会同中国国家纳米科学中心共同出版。

Editors-in-Chief

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    🇩🇪 罗斯托克大学

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    🇸🇬 新加坡国立大学

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  • Jinlan Wang (王金兰)
    🇨🇳 东南大学

  • Manzhou Zhu (朱满洲)
    🇨🇳 安徽大学

  • Jin Zou (邹进)
    🇦🇺 昆士兰大学

* 2022Journal Citation Reports (Clarivate, 2023)

† CiteScore 2022 by Elsevier

‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件

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