中國人民大學程鵬課題組與合作者發(fā)現(xiàn)一種新型磁性二維材料FePd2Te2

      近日，中國人民大學物理學系程鵬副教授課題組發(fā)現(xiàn)一種具有全新晶體結(jié)構(gòu)的新型磁性二維材料FePd2Te2，并與程志海教授課題組、中科院強磁場科學中心鄭國林研究員團隊和衢州學院楊建輝教授合作對其結(jié)構(gòu)與物性進行深入研究，發(fā)現(xiàn)FePd2Te2是一個非常少見的具有面內(nèi)單軸各向異性的二維鐵磁金屬，并在一種特殊孿晶結(jié)構(gòu)作用下形成了有趣的面內(nèi)自旋紋理結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以“FePd2Te2: An Anisotropic Two-Dimensional Ferromagnet with One-Dimensional Fe Chains”為題于2024年7月24日在線發(fā)表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

　　可以被解理到少層并能保持長程磁有序的二維材料無論對于基礎物理研究還是自旋電子學器件應用都具有重要價值，在近年來成為科學界關(guān)注的熱點。目前被廣泛研究的磁性二維材料都或多或少具有一些諸如空氣敏感、大單晶制備困難、居里溫度低、磁各向異性弱等缺點，因此積極探索具有優(yōu)異物性的新型磁性二維材料具有重要意義。并且自2004年石墨烯帶來二維材料研究熱潮至今，人們研究的二維材料大多都是化學數(shù)據(jù)庫里已知晶體結(jié)構(gòu)的固體材料，很少有全新晶體結(jié)構(gòu)的二維材料被發(fā)現(xiàn)。

　　最近，程鵬及合作團隊發(fā)現(xiàn)一種新型三元化合物FePd2Te2，并成功制備出厘米量級的單晶樣品。通過結(jié)構(gòu)解析和密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)這是一個具有Fe原子組成的準一維Z型Fe鏈結(jié)構(gòu)的二維材料（圖1），機械剝離實驗可以得到厚度低于5納米的少層薄片。磁化率、輸運、比熱和中子散射實驗結(jié)果表明，F(xiàn)ePd2Te2是一個居里溫度為183K的鐵磁金屬（圖2），具有沿著解理面內(nèi)方向的強單軸磁各向異性和大矯頑場的硬磁性，并且還表現(xiàn)出巡游磁性和強關(guān)聯(lián)電子行為。有趣的是，掃描隧道顯微鏡實驗在FePd2Te2中觀測到一種奇特的面內(nèi)準一維Fe鏈轉(zhuǎn)角90度的孿晶結(jié)構(gòu)。并且在孿晶結(jié)構(gòu)和單軸磁各向異性共同作用下，F(xiàn)ePd2Te2在解理面內(nèi)形成一種非常少見的自旋紋理結(jié)構(gòu)（圖1）。綜合上述研究結(jié)果，F(xiàn)ePd2Te2首先是一種空氣穩(wěn)定、可制備大尺寸單晶的新型磁性二維材料，為二維磁性領域的研究提供了一個嶄新的材料平臺。并且它奇特的一維與二維交織的晶體結(jié)構(gòu)、面內(nèi)單軸各向異性以及孿晶控制的自旋紋理結(jié)構(gòu)，預示著未來在其中探索新奇量子現(xiàn)象和實現(xiàn)自旋電子學器件應用的重要價值。

　　該研究工作發(fā)表在《美國化學會志》期刊（Journal of the American Chemical Society，簡稱JACS）。JACS是美國化學學會的旗艦學術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1879年。谷歌學術(shù)將其列為在在材料與化學領域排名第一的權(quán)威期刊。物理學系程鵬副教授、程志海教授和強磁場中心鄭國林研究員為論文的共同通訊作者。物理學系博士生史秉賢為論文第一作者，物理學系博士生耿燕燕、強磁場中心博士生王恒寧和衢州學院楊建輝教授為論文共同第一作者，論文其他合作者還包括中國原子能科學研究院郝麗杰研究員團隊和中國人民大學物理學系中子團隊。論文中的中子散射實驗在中國人民大學聯(lián)合中國原子能科學研究院自主研制的“行知”冷中子三軸譜儀上完成，得到了中國原子能科學研究院中國先進研究堆提供的穩(wěn)定中子束流的大力支持。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國人民大學重點機構(gòu)支持項目等基金的資助。

　　程鵬課題組近年來一直致力于探索新型磁性二維材料，前期部分研究成果還包括通過Co摻雜在Fe5GeTe2中發(fā)現(xiàn)一系列磁性可調(diào)控的室溫二維范德華磁性材料[Appl. Phys. Lett. 116, 202402 (2020)]；制備出具有強磁各向異性的稀土二維范德華反鐵磁單晶DyOCl、DyOBr和SmOCl [Phys. Rev. B 104, 214410 (2021)，Phys. Rev. Mater. 8,074006 (2024)]等等。

圖1：FePd2Te2的晶體結(jié)構(gòu)、晶體照片及STM顯示的Fe鏈及孿晶結(jié)構(gòu)。

圖2：FePd2Te2塊體的磁性質(zhì)和薄層樣品的反常霍爾效應。

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