南京大学Nano Letters:通过界面工程提高含CrTe2异质结构的居里温度

成果介绍

二维（2D）磁性材料的发现为凝聚态物理学和自旋电子学开辟了革命性的机遇。自2017年首次报道CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆等本征二维铁磁体以来，由于其独特的磁有序、层依赖的交换相互作用以及强烈的自旋轨道耦合（SOC）效应，2D磁性材料日益受到关注。这些体系不仅为研究低维磁性提供了理想的模型平台，也是可集成到现代半导体架构中的超薄、低功耗自旋电子器件的极具前景的构建模块。尽管取得了显著进展，但实现具有室温居里温度（Tc）的晶圆级2D铁磁性仍是一项艰巨的挑战。正如梅尔明-瓦格纳定理所预测，热涨落和微弱的层间交换耦合会强烈抑制大多数二维体系中的本征磁有序。此外，剥离片材的有限横向尺寸、无法控制的层数以及退化的磁性能，也阻碍了相关实验工作的开展。因此，可扩展制备具有稳健磁有序的高质量、层数可控的二维铁磁体，对于推进实用的自旋电子技术至关重要。

在各种二维磁性材料中，具有1T结构的CrTe₂因其稳健的电子结构和强磁各向异性而成为特别有前景的候选材料。理论结果表明，CrTe₂即使在单层(1L)极限下也能表现出强健的垂直于平面方向的铁磁性，且与其他二维磁性材料相比，其临界温度(T_c)相对较高。同时，范德华(vdW)材料提供了原子级纯净且无悬空键的界面，为工程化界面耦合提供了理想的平台。微弱的范德华力允许无应变堆叠，并能产生近邻效应（如自旋轨道耦合增强和层间交换调制），从而强化相邻磁层中的磁有序。然而，尽管具有这些优势，目前尚无有效的制备策略能在晶圆尺度上通过层与界面工程来提高CrTe₂的T_c。

有鉴于此，南京大学高力波教授与周振佳博士后报道了晶圆级制备CrTe₂基范德华异质结构的方法，其层数可控且具有不同的界面耦合。所采用的“高到低”生长策略能够精确堆叠生长多种二维范德华异质结构，包括石墨烯/CrTe₂(Gra/CrTe₂)、MoS₂/CrTe₂、WS₂/CrTe₂、WTe₂/CrTe₂以及PtTe₂/CrTe₂，每种结构在4英寸晶圆上均展现出原子级锐利的界面、均匀的层数以及高度的结构完整性。全面的结构、光谱及磁光表征揭示了这些异质结构之间存在强烈的邻近诱导界面磁耦合。值得注意的是，WTe₂/6层CrTe₂（WTe₂/6L CrTe₂）和PtTe₂/6L CrTe₂异质结构在300 K下均表现出铁磁有序，这证明了室温下晶圆级二维铁磁性的实现。

图文导读

图1.含CrTe₂异质结构的堆叠生长。(a)通过两步气相沉积的两个循环生长1L MoS₂/1L CrTe₂的示意图。(b)4英寸的照片。分别在MoS₂、WS₂、WTe₂和PtTe₂上生长的6L CrTe₂薄膜。(c)分别为1L Gra/1L CrTe₂、1L Gra/2L CrTe₂、1L MoS₂/1L CrTe₂和1L WTe₂/1L CrTe₂薄膜的光学图像。(d和e)分别为1L Gra/1L CrTe₂、1L Gra/2L CrTe₂、1L MoS₂/1L CrTe₂和1L WTe₂/1L CrTe₂薄膜的AFM图像和相应的高度剖面。

图2.含CrTe₂异质结构的结构表征。(a)生长的Gra/CrTe₂薄膜的原子分辨率STEM图像。(b)分别与Gra/CrTe₂薄膜的C、Te和Cr元素对应的EDS图。(c)Gra/CrTe₂薄膜的EDS谱及其收集的元素比率。(d)MoS₂/CrTe₂异质结构（S 2p、S 2s、Mo 3d、Te 3d和Cr 2p）的XPS精细光谱。(e)各个CrTe₂、MoS₂、WS₂、WTe₂、PtTe₂和相应异质结构（MoS₂/CrTe₂、WS₂/CrTe₂、WTe₂/CrTe₂和PtTe₂/CrTe₂）的典型拉曼光谱。

图3.含CrTe₂异质结构的RMCD测量。(a)Gra/CrTe₂、MoS₂/CrTe₂、WS₂/CrTe₂和WTe₂/CrTe₂的晶体结构示意图。(b,c)1L和6L CrTe₂异质结构在不同测量温度下相应的RMCD图作为面外磁场的函数。

图4.含CrTe₂异质结构的统计磁特性。(a)在1L Gra、1L MoS₂、1L WS₂和1L WTe₂上生长的CrTe₂的层依赖性Tc。(b)在1L Gra、1L MoS₂、1L WS₂和1L WTe2上生长的CrTe₂的层依赖性Hc。(c)2L−6L CrTe₂的Tc随底层基材种类（石墨烯、MoS₂、WS₂、WTe₂和PtTe₂）原子序数(Z)的变化。

图5.含CrTe₂异质结构的磁滞回线演化。(a)RMCD环路作为WTe₂/2L−5L CrTe₂在不同温度下面外磁场的函数。虚线圆圈表示磁滞回线中的扭结。(b)分别在MoS₂、WS₂和WTe₂上生长的CrTe₂的层相关TK值。

文献信息

Enhancing Curie Temperature for CrTe₂‑Containing Heterostructures via Interfacial Engineering

(Nano letters，2026，DOI:10.1021/acs.nanolett.6c00077)

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00077

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