磁性乐高：揭秘二维磁性材料的层间磁性耦合方式｜Science述评

中科院青促会翟晓芳

（中国科学技术大学）

评述论文：Direct observation of van der Waals stacking–dependent interlayer magnetism (Science 22 NOVEMBER, 2019: Vol 366, Issue 6468)

磁性材料的最早的应用是指南针，又称罗盘，是中华民族的四大发明之一，是没有GPS之前，古代人民出海必备工具，例如郑和曾经7次下西洋，使用的导航工具就是高精度的罗盘。此外，在好莱坞系列电影“加勒比海盗”中，每一集杰克船长都要拿一个造型别致的罗盘出来，尽管有时他的罗盘是坏的。

制作指南针的磁性材料是四氧化三铁，而事实上我们能够掌握的磁性材料是很少的。举例来说，元素周期表上面已知的元素有一百多种，但有磁性的元素少之又少，和铁同为过渡金属的也只有钴和镍是铁磁的（所有原子自旋方向相同），以及铬是反铁磁的（相邻原子自旋方向相反）。自然界存在的大部分元素和化合物还是自旋无序的体系。

磁性材料在信息技术领域有着非常广泛的应用，例如磁性巨磁阻读头是硬盘存储的核心器件。随着器件不断小型化的发展，对二维磁性材料的研究受到国内外的广泛关注。近年来发现的三卤化铬家族CrX₃（X= Cl，Br，I）引起了特别的关注。构成这些材料的基本单元通常是只有一个或几个原子层厚度的层状薄膜，层和层之间以较弱的范德瓦尔斯（van der Waals）力结合，因而可以通过机械剥离等手段获得单层的样品。同时，较弱的层间范德瓦尔斯力也允许层与层之间能以较小的能量进行相对转动和平移，就像乐高积木一样，创造出具有不同堆叠对称性的新功能材料。

CrBr₃和CrI₃的体材料和单层薄膜都具有面外易轴的铁磁性。然而，机械剥离的CrI₃双层膜在多种测量方式下都表现出出人意料的层间反铁磁耦合，而机械剥离的CrBr₃双层膜仍然保持层间铁磁耦合。那么，为什么层间耦合会有铁磁和反铁磁两种截然相反的情况呢？

复旦大学高春雷课题组和吴施伟课题组、以及华盛顿大学许晓栋教授等人，通过分子束外延的方法制备了CrBr₃薄膜，并利用扫描隧道显微镜(STM)确定了其生长的CrBr3双层膜具有2种不同的转动堆叠结构（H型和R型，如下图1和2所示），精确的确定了双层二维磁性半导体CrBr₃的层间堆叠方式和磁性耦合的关系，为二维磁性的调控提供了新的思路。该研究成果以Direct observation of vander Waals stacking dependent interlayer magnetism为题发表在本期Science上。

图1. H型堆叠的CrBr₃双层膜自旋极化扫描隧道显微镜测量

图2. R型堆叠的CrBr₃双层膜自旋极化扫描隧道显微镜测量

由于生长中获得的双层膜的尺寸都较小（10 nm数量级），远超一般磁学测量方法的空间分辨能力，高春雷等使用独特的自旋极化扫描隧道显微镜技术，对双层膜磁性进行表征，能够分辨和测量原子尺度上样品磁化方向的相对变化。在H型堆叠的CrBr₃双层膜上（图1），实验测到方形的铁磁磁滞回线，高低两个平台分别代表了双层膜，在外磁场的影响下，自发磁化方向在朝上和朝下之间变化。而在R型堆叠的CrBr₃双层膜上（图2），实验却测量到了4个平台。

作者的解释是：当外磁场小于±0.5 T时，CrBr₃双层膜层与层之间的磁化方向相反，形成了↑↓和↓↑两个不同的层间反铁磁构型，对应了低磁场下的2个平台。而当外磁场大于±0.5 T时，CrBr₃双层膜的磁化方向在外磁场的影响下强制指向外磁场反向（↑↑或↓↓），对应了大磁场下的2个平台。这样，就严格确定了CrBr₃的层间堆叠方式和磁性耦合的关系。

非常难得的是，该工作在实空间上直接观察到了不同的堆叠结构，分别与层间铁磁和反铁磁耦合建立一一对应的关系。这种能通过样品层间精准的堆叠结构，来改变甚至调控二维磁性材料在层与层之间的耦合关系，为新型二维极薄磁性器件的发展提供了创新的思路。

述评人简介：翟晓芳
博士，中国科学技术大学副研究员、中科院青年创新促进会会员。主要从事磁性薄膜研究。