二维磁性材料研究进展与研究方法分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

2004年，andre geim等人成功制备了石墨烯（graphene）后，二维材料的研究如雨后春笋般增长。石墨烯具有单原子层厚度，高载流子迁移率，强度高，反常量子效应等物理特性，使其在材料科学等领域具有广泛的研究和应用价值。同时二维材料包含了丰富的电子特性，近些年的研究已发现自旋能谷耦合半导体，ising超导体—可调节为量子金属，mott绝缘体—电荷密度波可调节，拓扑半金属等。随着对二维材料的研究深入，二维材料家族所涵盖的物理特性越来越丰富。铁磁性在感应器信息处理磁存储等技术上有广泛运用价值，但目前在实验上合成具有铁磁性的二维材料屈指可数。理论上根据mermin-wagner定理，二维各向同性海森堡模型在有限温度内自发磁化是不存在的。然而各向异性解除了这个限制，使得获得二维ising铁磁体成为可能。所以，磁各向异性是实现二维铁磁材料的关键点。在超薄金属薄膜中，界面/表面导致晶体结构对称性降低使得磁矩容易朝易轴方向排列，这一特点与选取的衬底和界面平整度有关。然而大部分vdw磁性材料由于对称性降低，会产生固有磁晶各向异性，因此稳定的铁磁态可能存在于单原子层极限厚度的薄膜中。近来人们发现少数片层cr₂ge₂te₆具有铁磁性，从而引发了对二维磁性体系的广泛关注。 2017年，研究人员通过磁光克尔技术揭示了cr₂ge₂te₆薄层样品的铁磁性。温度为40k时，只有厚度大于3层的样品才表现出明显的铁磁信号，长条状的双层样品区域很难检测出信号。随着温度的降低，双层样品的铁磁信号逐渐增强，当达到液氦温度时，样品信号与衬底可以轻易分辨开。磁光克尔测试的结果表明cr₂ge₂te₆的铁磁转变温度随着厚度的减薄而降低，块材样品的tc约为68k,而双层样品t_c仅为30k。另外，他们还发现施加一个小于0.3t的磁场即可以实现对转变温度的调控。这与三维体系材料转变温度对磁场的不敏感性形成鲜明的对比。同时，施加非常小的磁场将会导致更大的有效磁晶各向异性，打开更大的自旋波激发间隙。利用归一化的自旋波理论对所观察到的现象进行分析，研究者推断在二维铁磁分子晶体中，转变温度与磁场间的关系是其本征特性造成的。cr₂ge₂te₆是一种近于理想的二维heisenberg铁磁体，为研究自旋行为打开新的研究领域，如高集成自旋电子设备有着很大的意义。 2018年，张远波团队报道了一种新型的二维磁性材料fe₃gete₂，实验发现单层fe₃gete₂在低温下仍具有铁磁长程序以及面外磁各向异性。相比于块材205k的铁磁转变温度，单层的t_c要更低（在1.5k时可以观察到明显的铁磁回线），但是通过施加一个很小的栅极电压将锂离子插层fe₃gete₂薄层，使得样品的铁磁转变温度提高到室温以上，这为未来该材料制作电子器件提供了可能。尽管层状材料fe₃gete₂在解离时是沿着层间间隙方向，但是由于其面内弱的键合作用，导致通过传统的机械剥离法很难获得大面积的薄层样品。解离样品面积小的问题在其他层状材料中是普遍存在的，很大程度上给科学家研究二维材料带来了困难。受到用金薄膜剥离tmds薄层工作的启发，张等人借助al₂o₃薄膜的剥离方法使获得单层fe₃gete₂样品更加容易。首先，他们通过热蒸发将厚度在50nm到200nm之间的al₂o₃薄膜覆盖在fe₃gete₂块材的新鲜解离面上。然后用热释胶带粘住al₂o₃薄膜，撕开胶带获得从块材样品中分离的多层fe₃gete₂。这时样品的一面是粘在al₂o₃薄膜上靠热释胶带支撑，再将pmds盖在样品的另一面并加热使热释胶带脱离样品。通过pdms将样品转移到衬底上，迅速撕掉pdms则在硅衬底上留下少层样品。这种方法虽然步骤略多，却更容易获得薄层样品。

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，而二维磁性材料可能为电子器件不断小型化的发展中出现问题提供解决方案。构成二维磁性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（vander 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。目前二维磁性材料的居里温度都相对较低，但如fe₃gete₂（fgt）的铁磁相变居里温度可由片层数和外加电场所调控，其晶体为很特别的六角结构，每个晶胞中有三次磁性原子。又如块体ni₂fegate₂与块体fgt具有相同的晶体结构，都是由片层结构通过范德华力结合而成，且都具有室温铁磁性，但是单层ni₂fegate₂尚未在实验上制备出来。借助理论计算方法探讨具有类似fgt晶体结构的新型二维磁性材料的单层稳定性并预测其磁结构和性能，将有助于发现高居里温度的二维磁性材料。

本文将针对二维材料中的磁性，在充分阅读和调研文献的基础上，从二维磁性来源理论、二维磁性材料电子/自旋结构计算与磁性能预测、二维磁性材料的实验制备和性能表征等三方面研究工作做系统总结，分析各自的研究方法，并提出后续研究可能的方向及研究思路。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标

本文的研究目标是通过在充分阅读和调研关于二维材料中的磁性的文献的基础上，从二维磁性来源理论、二维磁性材料电子/自旋结构计算与磁性能预测、二维磁性材料的实验制备和性能表征等三方面研究工作做系统总结，分析各自的研究方法，并提出后续研究可能的方向及研究思路。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅与二维材料、特别是二维磁性材料研究相关的文献资料（以综述、总论性文献为主），明确研究内容和计划安排；独立完成文献综述和开题报告。

第4－6周：查阅关于二维材料磁性来源机理（解析理论）和磁性能分析预测（第一性原理计算）方面的大量非综述性文献，理解并掌握文献中的研究方法、研究结果/结论，总结计算和解析理论方面的研究进展，并作归类分析。

第7－9周：查阅二维磁性材料的实验研制、性能表征方面的研究论文，理解、总结其研究结果，并归类分析二维磁性材料的制备方法、测试表征手段。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]bevin huang, genevieve clark, efrén navarro-moratalla, et al. layer-dependent ferromagnetism in a van der waals crystal down to the monolayer limit, nature 546: 270-273, 2017.

[2]cheng gong, lin li, zhenglu li, et al. discovery of intrinsic ferromagnetism in 2dvan der waals crystals, nature 546: 265-269, 2017.

[3]deng, yujun; yu, yijun; song, yichen,et al. gate-tunable room-temperature ferromagnetism in two-dimensional fe3gete2. nature 563 (7729): 94-99, 2018.