磁性2D材料

磁性2D材料または磁性ファンデルワールス材料は、反強磁性や強磁性などの秩序だった磁気特性を示す2次元材料です。2004年にグラフェンが発見されて以来、2D材料のファミリーは急速に成長しました。それ以来、磁性材料を除くいくつかの関連材料が報告されています。しかし、2016年以降、グラフェンのように簡単に剥離できる2D磁性材料が数多く報告されています。

最初の数層のファンデルワールス磁性は 2017 年に報告されました (Cr ₂ Ge ₂ Te ₆、^[1]およびCrI ₃ ^[2] )。^[3]この一見遅い発見の理由の 1 つは、熱揺らぎにより 2D 磁性体の磁気秩序が 3D バルクよりも簡単に破壊される傾向があることです。また、低次元材料はバルクと比較して異なる磁気特性を持つことは、コミュニティで一般的に受け入れられています。 3D から 2D 磁性への遷移を測定できるというこの学術的な関心は、ファンデルワールス磁性体に関する最近の多くの研究の原動力となっています。 それ以来、このような遷移は反強磁性体と強磁性体の両方で観測されています。 FePS ₃、^[4] Cr ₂ Ge ₂ Te ₆、^[1] CrI ₃、^[2] NiPS ₃、^[5] MnPS ₃、^[6] Fe ₃ GeTe ₂ ^[7]

この分野は2016年に始まったばかりですが、凝縮物質物理学、材料科学、工学の分野で最も活発な分野の一つとなっています。その将来性と可能性を強調したレビュー記事もいくつか書かれています。^{[8] [9] [10]}

磁性ファンデルワールス材料は、増え続ける2D 材料のリストに新たに加わったものです。これらの新しい材料の特別な特徴は、非常に薄いシート、または 1 層の材料にまで薄くすると、反強磁性または強磁性のいずれかの磁気基底状態を示すことです。これらの材料のもう 1 つの、おそらくより重要な特徴は、スコッチ テープなどの単純な手段を使用して、数層または単層の形で簡単に製造できることです。これは、酸化物磁石などの他の磁性材料ではあまり一般的ではありません。

これらの材料への関心は、2次元磁性材料を容易に製造できる可能性に基づいています。この分野は、2016年に概念論文^[11]と最初の実験的実証を含む一連の論文から始まりました。^{[4] [12]} 翌年、強磁性に関する同様の観察結果が発表され、この分野はさらに拡大しました。^{[1] [2]}それ以来、いくつかの新しい材料が発見され、いくつかのレビュー論文が発表されています。^{[8] [9] [10]}

磁性材料は、マクロな長さスケールにわたって (スピン) が整列しています。スピンの整列は通常、隣接するスピン間の交換相互作用によって駆動されます。絶対零度( )では整列は常に存在しますが、キュリー温度( ) を超える温度では熱変動により磁気モーメントが整列せず、非磁性状態への相転移を引き起こします。絶対零度を超えるかどうかは、システムの次元に大きく依存します。 ${\displaystyle T=0}$${\displaystyle T_{C}}$${\displaystyle T_{C}}$

3次元システムではキュリー温度は常にゼロ以上であるが、1次元システムでは^{[13]でのみ強磁性状態になることができる。}${\displaystyle T=0}$

2D システムの場合、転移温度はスピン次元数 ( ) に依存します。^[9]のシステムでは、平面スピンは平面内または平面外のどちらにも配向できます。スピン次元数が 2 の場合、スピンは平面に平行などの方向を向いても自由です。スピン次元数が 3 のシステムは、スピンの方向に制約がないことを意味します。 のシステムは、2D Ising モデルによって記述されます。このモデルに対するOnsager の解は であることを示しており、したがって、達成可能な温度で磁性が許容されます。逆に、 の無限システムは、等方性ハイゼンベルグ モデルによって記述され、どの有限温度でも磁性を示さない。無限システムのスピンの長距離秩序化は、磁性に必要な自発的な対称性の破れは等方性の2 次元磁気システムでは不可能であるとするMermin-Wagner の定理によって防止されます。この場合のスピン波は有限の状態密度を持ち、ギャップがないため励起しやすく、磁気秩序を破壊します。したがって、磁性を示す物質には、外部磁場などの磁気結晶異方性の外部ソース、または有限サイズのシステムが必要です。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle n=1}$${\displaystyle n=1}$${\displaystyle T_{C}>0}$${\displaystyle n=3}$ ${\displaystyle n=3}$

2D イジングモデルは、FePS ₃ ^[4]、CrI ₃ ^[2]、Fe ₃ GeTe ₂ ^[7]の挙動を記述しますが、Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ ^[1]と MnPS ₃ ^[14]は等方性ハイゼンベルクモデルのように動作します。CrI ₃と Fe ₃ GeTe ₂の固有の異方性は、強いスピン軌道相互作用によって引き起こされ、単層まで磁性を維持できますが、Cr ₂ Ge ₂ Te ₆は二重層以上でのみ磁性を示します。XYモデルは、の場合を記述します。このシステムでは、秩序状態と非秩序状態の間の遷移はありませんが、代わりにシステムは有限温度 でいわゆるKosterlitz-Thouless 遷移を起こし、それ以下の温度ではシステムは準長距離磁気秩序を持ちます。XYモデルの理論的予測はNiPS ₃の実験的観察と一致することが報告されている。 ^[5]ハイゼンベルクモデルは、の場合を記述する。このシステムでは、メルミン・ワグナー定理により、秩序状態と非秩序状態の間の遷移はない。ハイゼンベルクモデルの実験的実現は、MnPS _3を使用して報告されている。^{[14] [6]}${\displaystyle n=2}$${\displaystyle T_{KT}}$${\displaystyle T_{KT}}$${\displaystyle n=3}$

上記のシステムは、一般化されたハイゼンベルクスピンハミルトニアンで記述できます。

${\displaystyle H=-{\frac {1}{2}}\sum _{<i,j>}(J\mathbf {S} _{i}\cdot \mathbf {S} _{j}+\Lambda S_{j}^{z}S_{i}^{z})-\sum _{i}A(S_{i}^{z})^{2}}$、

ここで、はスピンと の間の交換結合、および はそれぞれオンサイトとインターサイト磁気異方性です。 を設定すると、2D イジングモデルと XY モデルが復元されます。 （ の符号は正、 の符号は負）、および はハイゼンベルグモデル（）を復元します。 上記の理想化されたモデルとともに、スピンハミルトニアンはほとんどの実験設定で使用できます。^[15]また、パラメータ の再正規化により、双極子間相互作用をモデル化することもできます。^{[9]ただし、場合によっては、さらに近傍を含めたり、}反対称交換などの異なる交換結合を使用したりする必要があります。^[9]${\displaystyle J}$${\displaystyle \mathbf {S} _{i}}$${\displaystyle \mathbf {S} _{j}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \Lambda}$${\displaystyle A\rightarrow \pm \infty }$${\displaystyle n=1}$${\displaystyle n=2}$${\displaystyle A\approx 0}$${\displaystyle \Lambda \approx 0}$${\displaystyle n=3}$${\displaystyle A}$

2次元物質の磁気特性は、通常、ラマン分光法、磁気光学カー効果、磁気円二色性、異常ホール効果などの技術を用いて測定される。^{[9]系の次元は、温度の関数として}磁化（）、磁化率（）、相関長（ ）のスケーリング挙動を測定することによって決定することができる 。対応する臨界指数はそれぞれ、、およびである。これらは、${\displaystyle M}$${\displaystyle \chi}$${\displaystyle \xi}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \gamma}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle M(T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{\beta}}$、

${\displaystyle \chi (T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{-\gamma}}$または

${\displaystyle \xi (T)\propto (1-T/T_{\text{C}})^{-v}}$

はデータに反映される。表1に示すように、臨界指数はシステムとその次元に依存する。したがって、臨界指数のいずれかの急激な変化は、2つのモデル間の遷移を示す。さらに、キュリー温度は層数の関数として測定することができる（）。大きな層数に対するこの関係は、^[16]で与えられる。${\displaystyle N}$${\displaystyle N}$

${\displaystyle T_{\text{C}}(N)/T_{\text{C}}^{\text{3D}}=1-(C/N)^{\frac {1}{v}}}$、

ここで、は材料に依存する定数である。薄い層の場合、挙動は次のように変化する^[17]${\displaystyle C}$${\displaystyle T_{\text{C}}\propto N}$

磁性2D材料は、ファンデルワールスヘテロ構造の一部として使用できます。これらは、ファンデルワールス力によって結合された異なる2D材料で構成される層状材料です。このような構造の1つの例は、2D磁性材料の層の間に薄い絶縁/半導体層があり、磁気トンネル接合を形成します。この構造は、大きなスピンバルブ効果を発揮できるため、 ^[18]スピントロニクスの分野で多くの用途があります。もう1つの新しく出現した方向性は、NiPS ₃における磁気励起子の予想外の観察から生まれました。^[19]