单层二硒化钒的本征磁性及磁相变

来源：X一MOL资讯

二维材料是当下的研究热点，其原子级的厚度、优良的机械强度、独特的材料结构和电子输运特性使其在光电器件、新能源电池、柔性可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用潜力。特别的，寻找具有本征磁性的二维材料被认为是将其应用于自旋电子器件的关键。相比于传统的电子器件，自旋电子器件具有非易失性、能耗低、响应快以及存储密度高等诸多优点，为后摩尔定律时代的器件研发提供了一个重要的思路。理论上早已预测单层二硒化钒（VSe2，二维过渡族金属硫族化合物的一种）具有本征铁磁性，然而实验报导却一直未有定论。

近日，新加坡国立大学的黄载贤团队通过同步辐射X射线磁圆二色（XMCD）实验证实了分子束外延生长的单层 VSe2 并不具备本征铁磁性，然而通过 3d 铁磁金属的界面杂合可以成功的诱导出单层 VSe2 的磁性。

作为二维材料家族的一大重要分支，过渡金属二硫族化合物（TMD）因其种类的多样性、可调的本征带隙、高载流子迁移率、与光场的强相互作用、较强的内禀自旋-轨道耦合等特性，在电学、光学、自旋电子学等领域具有巨大的应用前景。作为TMD的一种，VSe2由于其丰富的电子特性、尤其是成为量子磁体的潜力而备受关注。

然而，关于其二维磁性的争议一直很大。Batzill小组通过传统的磁性测量手段——振动样品磁强计及磁光克尔效应——得出单层VSe2具有铁磁性的结论，然而这些测量手段并不能确保磁性来源一定是本征；同时，他们测出的15个玻尔磁子的超大单位磁矩也与理论计算值相距甚远。

另一方面，King小组利用XMCD测量看到，即使在10 K低温与9 T大磁场下单层VSe2都没有展现出铁磁性；由于XMCD具有元素分辨的优势，能保证测到的磁性一定来源于V元素本身，该结果也成为单层VSe2不具备本征铁磁性的佐证。那么，单层VSe2中的自旋是如何排列的呢？如果不具备长程磁有序，其磁性是否可以被调控出来呢？ 

新加坡国立大学黄载贤团队利用分子束外延制备了 1T 相的单层 VSe2，并利用超导量子干涉仪与 XMCD 相结合的手段，发现在单层 VSe2 中存在自旋阻错的状态，从而产生了很多简并基态并抑制了磁有序的发生。

然而这种长程磁无序的状态并非不能被克服，一个很小的扰动就有可能打破简并，引起磁有序。团队通过 3d 过渡金属钴（Co）与 VSe2 的界面杂合，诱导出单层 VSe2 中的铁磁性，并得到 0.4 个玻尔磁子的单位磁矩，接近于理论值（绝对零度下 0.6 个玻尔磁子）。

与此同时，界面的杂合也导致 VSe2 与 Co 之间形成了反铁磁耦合，并伴随着 Co 磁矩的下降。该工作首次展示了通过 3d 过渡族金属的界面杂合，单层 VSe2 从磁无序到长程有序的一个转变；同时也从侧面证实，单层 VSe2 虽不具备本征磁性，却处于磁性相变的边缘。

图1.(a-c) 单层VSe2：扫描隧道显微镜图片显示，长在石墨（HOPG）衬底上的单层VSe2（淡紫色）厚度约为7 Å (a)，且具有√3 x √7 和 √3 x 2的电荷密度波 (b)。在这样的二维三角晶格中，相邻的三个自旋无法同时满足任意两个之间都是反平行排列的状态，从而导致了自旋阻错的出现。(d-f) 利用XMCD证明“ Co/单层VSe2”界面的磁相变：圆极化的X射线以45°角入射界面 (d)，通过全电子产额（total electron yield, TEY）模式分别采集到 Co（上）和V（下）元素L边的XMCD谱 (e)。随着Co原子层的增加，V的XMCD信号也逐渐增强，说明V的磁性逐渐被诱导出；其强度也随着温度下降而增强，是典型的铁磁行为之一；Co与V 的L3 峰方向相反，表明Co与VSe2的自旋呈反平行排列，与Co和V元素的磁滞回线（f）相一致。

除了在基础研究方面，该项工作在实际应用上也具有重要意义：（1）Co/VSe2界面的制备具有洁净、无污染的优势，确保了本征磁性和界面效应的研究不受外界杂质所干扰。在目前实验报导的“铁磁/TMD”界面中，通常 TMD 层都是用化学气相沉积生长、或是直接机械剥离被转移到衬底上去的，因而与铁磁金属形成界面的过程无法保证都在真空中进行，也就无法保证界面的洁净。而国大团队在超高真空下为分子束外延的VSe2 镀上一层Se作为保护层，这层Se在接下来Co的真空生长时只需先稍稍加温至200摄氏度即可被轻松去除，为确保Co/VSe2界面的纯净提供了保障。该方法可被广泛的运用到各种TMD相关的界面中。（2）单层 VSe2 中磁性的诱导为其在自旋电子学中的应用打下了基础，同时也为实现磁性二维异质结、进一步降低自旋电子器件的维度和尺寸提供了可能性。铁磁金属与二维材料形成的异质结中丰富的磁性和层间相互作用也促进了自旋电子器件的进一步发展。

这些成果近期发表在ACS Nano [1]和Advanced Materials [2]上，第一作者分别为新加坡国立大学黄载贤教授团队的研究员章文博士和黄炳钧博士。

作者简介

章文博士毕业于荷兰Twente大学，现为新加坡国立大学研究员。研究兴趣集中在自旋电子学及纳米磁性，特别是利用同步辐射XMCD 及相关技术探索微观磁性，发表SCI论文逾50篇。曾获英国海外研究生基金计划(ORSAS) 及中国国家自然科学基金(NSFC) 青年项目，也主持过数次在英美等地的同步辐射开放课题。参与多项国际研究项目，如英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC) 和科技设施委员会(STFC) 基金、新加坡教育部Tier2基金。担任Adv. Mater、ACS Nano等杂志审稿人，及NSFC通信评审。

黄炳钧博士本科毕业于香港理工大学，博士毕业于英国York大学。他曾是荷兰Twente大学的博士后和玛丽居里学者，现为新加坡国立大学先进二维材料中心的资深研究员。研究兴趣主要为自组装搭建超高真空生长系统（本文所介绍的二维材料即由黄博士在国大设计搭建）、外延自旋电子材料、二维层状材料等。现已发表SCI论文逾50篇，也参与了欧盟、中国、荷兰及新加坡等地的国际研究项目。同时为Advanced Materials, ACS Nano等杂志审稿人，以及意大利MIUR研究基金的专家评审。 

黄载贤教授现任新加坡国立大学副校长、新加坡科学院院长、国大物理系表面科学实验室主任、亚太材料学院院士。黄教授的研究范围涵盖表面与纳米科学、扫描隧道显微镜，以及针对“分子/衬底”界面、石墨烯及相关纳米材料的同步辐射研究，发表逾 500 篇受国际认可的科学论文。黄教授为多份学术期刊担任编委，自 2011 年起出任 ACS Nano 副主编。2006 年获颁英国新加坡科学合作伙伴奖，随后在 2008 年获新加坡物理学会颁发总统勋章，2015 年获新加坡国立大学杰出科学家。