【研究成果】鈷奈米島上成長單層錫烯  為二維磁性拓樸異質結構提供新的材料製備方向

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)


圖1. (a)在0T時,單原子層錫烯覆蓋鈷奈米島的自旋對比態,黑色和灰色箭頭分別代表樣品和探針的磁化方向上的平行和反平行態; (b)在3T時,所有灰色箭頭代表的反平行態全部翻轉成黑色箭頭平行態,證明了單原子層錫烯覆蓋鈷奈米島的鐵磁行為; (c)磁光柯爾效應所量測到單原子層錫烯覆蓋鈷奈米島的垂直異向性增強; (d) 拓樸能帶的反轉和自旋軌道耦合的能隙開啟示意圖。

在二維拓樸絕緣體中引入磁性,是追求低維度磁性拓樸材料的中心課題。過去幾年,研究人員嘗試利用摻雜的方式(包括磁性雜質、固有磁有序、磁鄰近效應等)誘發拓樸材料的磁性,此外,固有的(intrinsic)磁性拓樸材料也成功在層狀凡德瓦(van der Walls)材料MnBi2Te4中實現。

清華大學物理系徐斌睿副教授及其研究團隊另闢蹊徑,透過分子束磊晶的方式,在80 K低溫於鐵磁性雙層奈米鈷島上(以銅(111)為基板)成長單層的二維拓樸材料錫烯(Stanene),成功備製出具鐵磁性和拓樸性質共存的二維拓樸異質結構。團隊從自旋極化掃描穿隧顯微術和能譜(SP-STM/SP-STS)解析樣品的鐵磁性自旋對比態,以及磁光柯爾效應(magneto-optical Kerr effect,MOKE)得到樣品的磁滯曲線,並證明錫烯增強Co/Cu(111)既有的垂直磁異向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)。理論計算方面,密度泛函理論(density functional theory,DFT)得到s-p能帶反轉(band inversion),和 點自旋軌道耦合(spin-orbit coupling,SOC)能隙 0.25eV等拓樸電子結構的特徵,此外,DFT顯示錫烯具有非常平坦及穩定的晶體結構,優異成果發表於國際頂尖期刊[1]上。

自2004年發現石墨烯後,眾多研究投入開發類似石墨烯二維蜂巢結構的材料,例如第IV族元素形成的矽烯、赭烯、錫烯與鉛烯等,這類材料稱為「xenes」,其中錫烯因錫原子的質量較大而有更強的自旋―軌道耦合作用力,和特殊的能帶反轉展現豐富的拓樸電子結構特性,因而特別令人感興趣。在2005年,美國理論物理學家C. L. Kane與E. J. Mele提出石墨烯具有量子自旋霍爾效應(quantum spin Hall effect),將之視為一種二維的拓樸絕緣體,其內部絕緣但邊緣導電。錫烯有更大的SOC能隙,在特殊條件下可達到0.3 eV,預期是一種較好的二維拓樸絕緣體材料,並有機會達到室溫的拓樸相變進而展現量子自旋霍爾效應,因此吸引許多前沿的基礎科學研究投入。

拓樸絕緣體引入磁性會破壞時間反演對稱(time-reversal symmetry),進而引發量子異常霍爾效應(quantum anomalous Hall effect,QAHE)――不需外加磁場就能出現的量子霍爾效應――因此在量子科技和元件設計方面有莫大的應用潛力。過去拓樸絕緣體的磁性是經由摻雜的方式誘發,但因雜質分布使得量子異常效應的實現溫度極低,而後人們合成出第一個同時具有拓樸性質與固有磁性的材料MnBi2Te4,但是磁性溫度仍然不高。清大徐斌睿副教授與團隊,以分子束磊晶的方式於80 K低溫在雙層Co/Cu(111)上成長出單原子層錫烯,圖1. (a)為自旋極化掃描穿隧顯微術(SP-STM)所量測的奈米尺度下Sn/Co/Cu(111)的自旋對比態,如黑色和紅色箭頭所示,藉由外加磁場,此Sn/Co/Cu(111)自旋對比態可以被翻轉成如圖1. (b),灰色箭頭翻轉成黑色,代表Sn/Co/Cu(111)的鐵磁磁化方向的改變。

由於自旋極化掃描穿隧顯微術和能譜SP-STM/SP-STS對穿隧電子的自旋方向敏感,能提供單原子層級磁自旋現象的詳細資訊。團隊從SP-STM/SP-STS可以解析Sn/Co/Cu(111)的磁性自旋結構與自旋相關的電子結構特性,透過改變Bz,團隊測得殘磁(remanence)Mr對飽和磁化Ms的比Mr/Ms ≈ 1,溫度4.2 K下矯頑場(coercive field,指磁性材料磁化到飽和後,使磁化強度減為零所需要的磁場強度) 1T < Hc ≤ 3T。除此之外,為了對Co/Cu(111)上錫烯的磁性性質有巨觀上的了解,透過和彰化師範大學王柏堯教授的團隊合作,利用磁光柯爾效應(MOKE)進行水平與垂直樣品平面的磁性量測。磁光柯爾效應為一線性偏振光經鐵磁性材料反射後,線偏振變成橢圓偏振的現象,MOKE對自旋電子能帶相當敏感,磁性解析靈敏度可達到一個原子層厚,1985年E. R. Moog和S. D. Bader首度運用MOKE測量出成長於金(100)上鐵超薄膜一個原子厚度的磁滯曲線。團隊對Co/Cu(111)覆蓋不同厚度的錫進行MOKE量測,1.16ML與1.93ML Co/Cu(111)兩種系統顯示當開始成長錫烯時( n > 0.08 ML),垂直磁化的Mr/Ms與Hc變大,表明加入錫烯後Co/Cu(111)的PMA增強,如圖1. (c)所示。

除了上述的實驗結果,透過和交大電物蘇蓉容教授的團隊合作,利用DFT進行理論能帶和電子結構計算,結果顯示樣品錫烯的結構可以排列得很好,原子排列幾乎沒有起伏;而錫烯投射(projected)能帶結構,顯示在\(\bar{\Gamma}\)點低於費米能階1eV處有s-p能帶反轉,SOC能隙約為0.25 eV,如圖1. (d)示意圖表示,代表單原子層錫烯與雙層鐵磁性鈷的透過介面耦合,仍然容許拓樸能帶特徵與鐵磁性共存,此份研究工作的發現和結果有助於發展和設計單原子層級的磁性拓樸異質結構。

 

延伸閱讀

參考文獻

[1]  C. J. Chen et. al, Single-atomic-layer stanene on ferromagnetic Co nanoislands with topological band structures, ACS Nano  (2023), 17, 8, 7456–7465

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