石墨烯基非范德华单层 Cr₂Se₃中自旋 - 谷耦合助力高温铁磁性

“Spin-valley coupling enhanced high-TC ferromagnetism in a non-van der Waals monolayer \Cr₂Se₃ on graphene” 发表于《Nature Communications》，报道了在非范德瓦尔斯结构的单层Cr₂Se₃薄膜中，通过自旋-谷耦合机制实现的高居里温度（T_c ~225 K）铁磁性的实验发现，并揭示了其与谷载流子密度的关联。

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1. 研究背景与动机

传统二维磁体的局限：

范德瓦尔斯磁性材料（如Cr₂Ge₂Te₆、CrI₃）的T_c通常随厚度减少而降低，且自旋-谷耦合仅存在于层状材料中，T_c普遍低于55 K。

理论预测：

非范德瓦尔斯结构（如Cr₂Se₃）可能通过自旋-谷极化实现铁磁半导体基态，但实验验证缺失。

矛盾现象：

Cr₂Se₃体材料为反铁磁体（T_N ~45 K），而单层在绝缘基底（如Al₂O₃）上仍为反铁磁体，但在石墨烯基底上却显示铁磁性（T_c ~200 K）。这种基底依赖的磁性转变机制尚不明确。

2. 样品制备与表征

生长方法

：通过分子束外延（MBE）在双层石墨烯/6H-SiC基底上制备单层Cr₂Se₃，厚度为五原子层（Se-Cr-Se-Cr-Se）。

结构验证：

RHEED和LEED确认单层1×1结构，晶格常数3.6 Å与体材料（3.62 Å）一致。

TEM和高分辨X射线光电子能谱（XPS）证实Cr³⁺价态，支持Cr₂Se₃化学计量。

磁性表征：

X射线磁圆二色性（XMCD）显示Cr L边吸收谱的极化差异，证实单层在70 K下的铁磁序，磁矩约3.4 μ_B/Cr原子。

理论计算（团簇模型）表明Cr³⁺为t₂g³电子构型，支持局域自旋特性。

3. 电子结构与自旋-谷耦合

ARPES能带分析：

单层Cr₂Se₃为间接带隙半导体（带隙~0.8 eV），但石墨烯基底通过电荷转移使其呈现金属性（eg电子谷占据）。

局域化的Cr 3d-t₂g能带（1.5-2.5 eV）与巡游的eg导带（K/K'点）共存。

温度依赖性能带演化：

低于T_c时，t₂g能带在Γ点和K/K'点出现分裂（~160 meV），伴随eg谷的占据；温度升至T_c以上时，分裂消失，eg谷载流子减少。

T_c确定为225-250 K（单层）、175-200 K（双层）、150-175 K（三层），表明层数增加导致T_c降低。

自旋-谷极化实验证据：

圆二色性ARPES（CD-ARPES）显示K和K'点的eg能带不对称强度分布，且极化方向相反，证实谷极化。

施加垂直磁场后，K和K'点的谷不对称性增强，验证自旋-谷耦合与铁磁序的关联。

4. 机制解释与多层对比

自旋-谷耦合机制：

局域t₂g自旋通过RKKY相互作用与巡游eg谷载流子耦合，形成铁磁序。

谷极化由Cr₂Se₃的对称性破缺（非范德瓦尔斯结构）和界面电荷转移（石墨烯提供电子掺杂）共同驱动。

层数对T_c的影响：

单层具有最高eg载流子密度（电荷转移最显著），T_c最高；多层样品载流子密度降低，T_c下降。

与范德瓦尔斯磁体（如Cr₂Te₃）不同，Cr₂Se₃的T_c在单层时提升，表明非范德瓦尔斯结构的界面效应起关键作用。

5. 理论与实验一致性

DFT计算支持

：理论预测单层Cr₂Se₃在铁磁态下因自旋-谷耦合产生18 meV的谷分裂，实验观测到的t₂g能带分裂（~160 meV）主要由自旋交换主导，SOC贡献较小。

对比研究

：范德瓦尔斯材料（如V₁/₃NbS₂）的谷极化由表面态杂化驱动，T_c与体材料一致（~53 K）；而Cr₂Se₃的谷极化与体材料结构差异显著，导致T_c显著提升。

6. 意义与应用前景

非范德瓦尔斯磁体的优势

：通过界面工程（如基底选择）调控载流子浓度和对称性破缺，为设计高温二维磁体提供新思路。

自旋电子学应用

：自旋-谷耦合材料可用于低功耗存储器件、谷电子学器件及拓扑磁结构（如斯格明子）的调控。

结论

本文首次在非范德瓦尔斯单层Cr₂Se₃中实验验证了自旋-谷耦合增强的铁磁性，揭示了谷载流子密度对T_c的关键作用，为高温二维磁体的设计与调控提供了重要依据。

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