寧波材料所利用分子束外延在拓?fù)淞孔硬牧先斯ぎ愘|(zhì)結(jié)研究方面取得進(jìn)展
在拓?fù)浣^緣體中引入磁性打破時(shí)間反演對(duì)稱性，在其拓?fù)浔砻鎽B(tài)處打開能隙，可實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)、軸子絕緣態(tài)等，有望應(yīng)用于低功耗電子學(xué)器件。實(shí)現(xiàn)磁性拓?fù)浣^緣體有磁性摻雜、磁近鄰效應(yīng)以及本征磁性拓?fù)淙N方式。以MnBi2Te4(Bi2Te3)m為代表的本征磁性拓?fù)浣^緣體材料，由整數(shù)化學(xué)計(jì)量比的單元自然堆疊而成，其結(jié)構(gòu)無序度相比較磁性摻雜而言大幅度降低，引起了廣泛的研究興趣。在MnBi2Te4(Bi2Te3)m塊體單晶材料中，由于單晶生長過程中的熱力學(xué)限制，無法獨(dú)立分別調(diào)控Mn-Mn間距和Bi2Te3/MnBi2Te4比例，對(duì)揭示該材料體系中反鐵磁序和鐵磁序的調(diào)控機(jī)制造成困難，從而阻礙了相關(guān)磁性拓?fù)湮飸B(tài)的研究。
針對(duì)此問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所原子尺度與微納制造實(shí)驗(yàn)室量子功能材料團(tuán)隊(duì)與美國羅格斯大學(xué)、浙江大學(xué)以及美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)緊密合作，在前期的研究基礎(chǔ)上（Nano Letters 19, 4567 (2019)、Nano Letters 21, 5914 (2021)），基于逐層生長的分子束外延技術(shù)制備出原子層堆疊可控的MnBi2Te4-Bi2Te3人工異質(zhì)結(jié)，克服了塊體單晶材料中堆疊次序的限制，揭示了MnBi2Te4-Bi2Te3體系中反鐵磁序和鐵磁序的獨(dú)立調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)該材料體系中反鐵磁和鐵磁的共存是由于磁性反位缺陷的微觀不均勻分布引起，如圖1所示。反鐵磁序的變化幾乎完全由Mn-Mn間距控制，而鐵磁序的變化只依賴于Bi2Te3/MnBi2Te4比例而與MnBi2Te4層位置無關(guān)，如圖2所示。這一發(fā)現(xiàn)為MnBi2Te4-Bi2Te3體系中磁性的原子層堆疊調(diào)控以及新型磁性拓?fù)洳牧系脑O(shè)計(jì)制備提供了新思路。
相關(guān)成果以“Atomic-Layer-Controlled Magnetic Orders in MnBi2Te4-Bi2Te3 Topological Heterostructures”為題發(fā)表在Nano Letters上（原文鏈接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02320）。寧波材料所姚雄研究員、博士后崔琪睿（現(xiàn)為瑞典皇家理工學(xué)院博士后）為該論文的共同第一作者，美國羅格斯大學(xué)Seongshik Oh教授、浙江大學(xué)楊洪新教授和寧波材料所姚雄研究員為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家基金委、中國科學(xué)院、科技部、浙江省和寧波市基金項(xiàng)目的資助。
圖1 磁性反位缺陷的微觀不均勻分布導(dǎo)致的反鐵磁、鐵磁共存
圖2?MnBi2Te4-Bi2Te3人工異質(zhì)結(jié)中的兩種原子層堆疊策略及磁性調(diào)控行為
（原子尺度與微納制造實(shí)驗(yàn)室 ??姚雄）
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