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何军教授课题组在二维过渡金属磷硫化物磁性研究方面取得重要进展
发布时间:2021-10-25 14:39  作者:  来源:物理科学与技术学院  阅读:

新闻网讯(通讯员吴轩)近日,由武汉大学物理科学与技术学院何军教授和美国威斯康星大学麦迪逊分校金松教授组成的联合研究团队在二维过渡金属磷硫化物(MPX3,M为金属元素,X为S、Se)磁性研究方面取得重要进展,实验发现在具有本征强关联反铁磁性范德华层状Ni1-xCoxPS3材料中通过S缺陷调控可以引入低温铁磁特性。

相关研究成果以“Defect-Mediated Ferromagnetism in Correlated Two-Dimensional Transition Metal Phosphorus Trisulfides”(《二维强关联过渡金属磷硫化物中缺陷诱导铁磁性》)为题发表于《科学进展》杂志(Science Advances)。何军教授和金松教授为共同通讯作者,武汉大学为论文共同署名和通讯作者单位。

二维磁性体系为研究磁学基础物理问题以及调控低维磁性提供了新的研究平台,并在光电子器件及自旋电子器件方面具有重要的应用前景。何军教授课题组长期致力于二维磁性材料的可控制备及其新原理器件应用研究。在二维磁性研究领域积累了丰富的经验,可控制备了原子级厚度的MPX3、CrSe、Cr2S3、Cr2Te3等(Nano Lett.20, 5, 3130(2020);Nature Commun. 10, 4133 (2019);Adv. Mater. 31, 1900056 (2019);Nano Lett. 19, 2154(2019);Adv. Mater. 30, 1707433 (2018);Adv. Funct. Mater. 28, 1800548 (2018)),并受邀在Science(Science370, 525-526 (2020))上发表相关材料的评述文章。

NiPS3是一种具有本征强关联的XXZ型反铁磁性范德华层状材料,通过对该体系的XXZ海森堡自旋模型求解后发现,其中心Ni原子与第三近邻的金属原子之间通过S原子具有强的TNN反铁磁(AFM)超交换作用。在本项工作中,研究团队首次合成Co替代的NiPS3(即Ni1-xCoxPS3)纳米片,通过X-射线吸收谱以及电子自旋共振谱分析发现在Ni1-xCoxPS3纳米片中含有S空位(Sv),而Co原子对Ni原子的替换有利于S空位的形成,在Ni1-xCoxPS3(0<x<0.5)中单个Sv的形成能(1.38 eV)远小于在NiPS3中的2.19 eV。 与此同时,利用超导量子磁测量系统SQUID对不同组分(x)纳米片的磁学特性测试,结果显示Sv的存在会导致其在低温下(< 100 K)具有弱的铁磁特性,这使得利用低磁场强度(< 300 Oe)就可以有效抑制该体系中强的反铁磁交换相互作用从而实现弱的铁磁性。结合理论计算发现,Ni1-xCoxPS3中Sv可以改变局部晶格构型和电子结构进而打破以非磁性S原子为媒介的强的第三近邻AFM交换作用,最终使得Ni1-xCoxPS3(0≤ x<0.5)纳米片在低温下出现弱的铁磁特性,这也从另一方面说明NiPS3反铁磁体的可调控性。这项工作阐述了缺陷工程调控磁交换作用的物理机制,对二维磁性材料体系的研究提供了新思路。

图(A) NiPS3中通过S原子连接的相邻Ni原子之间交换作用示意图及其zig-zag型反铁磁特性;(B-C)不同Ni1-xCoxPS3纳米片和单晶的M-T和M-H曲线

该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目的支持。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4086

(编辑:付晓歌)

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