Advanced Functional Materials:铬掺杂诱导的范德华层状外尔半金属高度可调近室温铁磁性

自从范德华层状材料Td-WTe2被证实具有非饱和磁阻特性,WTe2引起了多领域广泛的研究兴趣。例如,其块体和薄膜材料分别在压力/插层以及磁场/近邻的诱导下表现出超导性;理论和实验都证明Td-WTe2块体材料是第二类外尔半金属;单层WTe2是具有高达100开尔文温度的量子自旋霍尔效应拓扑绝缘体(TI),并且在施加栅极偏压下表现出超导性;此外,WTe2还表现出可控的铁电性和室温纳秒级自旋弛豫行为。因此,其优异特性赋予了WTe2材料体系在多领域的巨大应用潜力。特别是,近年来WTe2的外尔半金属和拓扑绝缘体特性备受科研人员关注。在这一领域,在WTe2中成功诱导出铁磁特性对于实现量子反常霍尔效应和磁场控制外尔拓扑相至关重要。目前,在WTe2中诱导出铁磁特性还从未报道,从而极大程度限制了WTe2在自旋电子学领域的应用。

华中科技大学材料科学与工程学院量子纳米材料与器件实验室杨丽、武浩等在常海欣教授、张文峰教授指导下与广西科技大学理学院、材料中心张喨等合作首次通过两步碲蒸气输运方法在Td-WTe2中成功引入了磁性Cr原子,并且发现Cr掺杂的Td-WTe2具有可调的近室温磁性(居里点可达到283 K);理论计算表明该铁磁特性主要来源于掺杂Cr原子的自旋极化。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008116)上。

实验证实,Td-WTe2的相关物理特性包括居里点、饱和磁化强度、费米能级位置、磁阻等,可以通过控制掺杂Cr原子的浓度进行有效调节。研究团队通过振动磁强计测试证实Cr掺杂的Td-WTe2具有近室温铁磁性。变温电输运测试发现Cr掺杂Td-WTe2单晶仍具有外尔半金属行为,具有高达3339%的磁阻以及明显的Shubnikov de Haas(SdH)量子振荡和反常霍尔效应等行为。角分辨光电子能谱(ARPES)测试证实Cr掺杂Td-WTe2费米弧仍然可以分辨,进一步确认了Cr掺杂Td-WTe2的外尔半金属特性。杨丽等人的发现首次在范德华材料体系中实现了外尔半金属特性和铁磁性结合,不仅揭示了Td-WTe2在自旋电子学领域应用潜力,同时提供了一种利用磁性元素掺杂策略制备二维铁磁单晶的通用可行方法。