华中科技大学付英双教授《ACS Nano》：超薄范德华磁性横向异质结制备

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二维范德华层状材料层间耦合弱，因此可以通过机械剥离得到单层样品并堆叠构建出界面原子级平整的纵向异质结。但是机械堆叠的方法有两个缺陷：一是无法大规模制备，二是无法实现横向异质结制备。而上述两个因素是实现二维材料集成电子器件的必须要求。因此，通过材料生长的方法制备横向磁性异质结是解决上述问题的关键。横向磁性异质结的构建需要较为严苛的材料条件：一是在异质结界面处的化学键成键，保持晶格连续和界面原子级平整；二是需要具有范德华磁体的磁有序临界温度较高。迄今，实验上所发现的范德华磁体磁有序温度大多很低。
华中科技大学付英双教授领导的低维物理与量子材料实验室团队以“Planar Heterojunction of Ultrathin CrTe₃ and CrTe₂ van der Waals Magnet”为题在《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.1c10555）上发表论文。为了克服上述困难，团队选择铬-碲化合物进行横向异质结的构建。因为铬-碲化合物有多种不同组分比例的晶相，从而不同晶相的晶界面处有望实现横向异质结。更为重要的是铬-碲化合物有很强的磁性，其中1T-CrTe₂在单层下是反铁磁基态，转变温度在室温以上，并随着层厚增加表现出室温铁磁性，其丰富的磁性质成为构建横向异质结的优秀候选材料。此外，另一种铬-碲化合物CrTe₃是范德华绝缘体，与金属相的CrTe₂在相图上临界，可以作为横向磁性隧道结的绝缘层。
团队通过分子束外延（MBE）生长的手段，经过长期的探索，精确控制衬底温度和束流比，在高定向热解石墨（HOPG）衬底上成功生长出大面积单层和双层的CrTe₃薄膜。其扫描隧道原子分辨像显示出特有的条纹状周期，随偏压呈现丰富的变化图样（图1）。这些偏压依赖的原子分辨像与第一性原理计算模拟结果良好吻合。通过对CrTe₃薄膜的扫描隧道谱（STS）测量可以看到其电子结构上单层能隙0.93 eV，双层能隙0.82 eV。并且能隙随电子掺杂和温度升高变小，这一现象满足莫特绝缘体的特征（图2）。而CrTe₂的呈现金属性电子结构（图3）。团队通过真空退火，CrTe₃中的Te部分脱附形成CrTe₂和CrTe₃两相共存。两相交界处形成原子级平整的横向异质结。通过测量穿越晶界的扫描隧道谱，可以看到界面处明显的能带弯曲和能隙减小且平滑过渡（图4）。这些特征显示CrTe₂-CrTe₃界面具备了优秀横向异质结的特征。团队发现增加退火时间会使CrTe₃完全转变为CrTe₂相（图5）。在相转变的过程中团队还发现一种CrTe₂和CrTe₃的混合中间相，表现出能隙随尺寸增大减小的现象（图6）。可以设想，通过局域图形化热处理，有望可控构建规模化CrTe₂-CrTe₃-CrTe₂横向隧道结器件。
该工作是团队近期发现单层CrTe₂反铁磁体（Nature Communications 13, 257 (2022)）后的又一进展。 
图1. CrTe₃和CrTe₂结构和形貌图。（a）CrTe₂和CrTe₃原子结构示意图。（b，c）薄膜的三维立体图（b）和台阶高度示意（c）。（d-g）CrTe₃ STM形貌图和对应的DFT计算模拟图。（h）CrTe₂的STM原子分辨。

图2.单层和双层CrTe₃的电子结构。（a）单层和双层CrTe₃形貌图。（b）跨过二层台阶的STS谱。（c）不同温度下的电子结构。（d-e）不同掺K时间的形貌。（f）不同掺K浓度的STS谱。 
图3.单层和双层CrTe₂的STS谱（c）和跨过二层台阶的一系列STS谱（b）。 
图4. 原子级平整的横向异质结和跨界面扫描隧道谱。（a，b）异质结界面的原子分辨和原子模型示意图。（c-e）跨过界面的一系列STS谱。（f）统计的穿过界面能隙变化。 
图5.不同退火时间CrTe₃向CrTe₂的相转变。（a-c）不同退火时间的STM形貌。（d）随退火时间的CrTe₃面积占比。 
图6.不同尺寸的CrTe₂和CrTe₃的混合超晶格及其STS谱。（a-c）不同长度的混合超晶格相。（d）混合相的原子结构模型。（e）不同长度的超晶格相对应的STS谱。（f）不同长度的超晶格能隙变化。

作者简介

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付英双，华中科技大学物理学院教授，长期从事拓扑量子材料和低维量子材料的控制生长、电子结构和物理性质的研究，包括：（1）拓扑量子物态的调控和自旋特性；（2）低维量子体系中的关联效应；（3）低维量子结构的分子束外延生长。

原文链接

Li, R.; Nie, J.-H.; Xian, J.-J.; Zhou, J.-W.; Lu, Y.; Miao, M.-P.; Zhang, W.-H.; Fu, Y.-S. Planar Heterojunction of Ultrathin CrTe₃ and CrTe₂ Van Der Waals Magnet. ACS Nano 2022.DOI: 10.1021/acsnano.1c10555
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10555

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