利用原子层厚的薄膜将块体中不附着在磁铁上的物质转换为磁铁——期待应用于新一代自旋电子学——
刊登日期: 2025年4月18日更新显示打印页面
发表要点虽然有些物质在制成原子数个水平厚度的薄膜时，会显示出与具有足够厚度的通常状态(块状)完全不同的性质，但理论上可以预测，将不粘磁铁的物质制成薄膜也不会像粘磁铁那样发生变化。但是也预想到有例外，用一种叫做三硒化二铬( Cr2Se3)的物质制作薄膜时，发现会变成粘在磁铁上。 通过对高亮度辐射光(注1 )产生的x射线进行调查，发现这是由于电子从制作薄膜时的“台”片状碳石墨烯(注2 )向薄膜的移动造成的。现代的电子学只使用电子的电学性质，但通过同时使用磁性性质(自旋(注3 ) )来提高性能的“自旋电子学”(注4 )备受瞩目。 这次的成果有望扩大自旋电子学的可能性。概要如果电子所具有的微观磁铁的性质“自旋”在物质中一致，则为强磁性(注5)来定义自定义外观。 如果用具有原子水平厚度的二维物质实现强磁性的话，有望应用于新一代自旋电子学。 但是，理论上预测在二维物质中磁秩序会消失。
由东北大学、高能加速器研究机构、量子科学技术研究开发机构组成的研究小组，研究了含有铬的反强磁性体(注6)Cr2Se3着眼于，分子束外延法(注7)在石墨烯上添加Cr2Se3成功地生长了的二维薄膜。 用高亮度放射光x射线对膜厚从1层到3层系统变化的试样进行了调查，结果显示在三维晶体中显示出反铁磁性的Cr2Se3但是，二维时转为强磁性，而且膜厚越薄，强磁性转变温度(TC)会高涨，这一点已经明确了。 除此之外，微ARPES (注8)根据的电子状态分析，从石墨烯基板通过界面进行Cr2Se3我们查明了注入的传导电子是这种高温强磁性的决定性因素。
本成果在提出用二维材料稳定高温强磁性的新方法的同时，也有望为自旋电子学器件和节能元件等的应用开拓道路。
本研究成果于2025年4月18日(当地时间)在科学杂志Nature Communications的在线版上公开。
研究背景呈现强磁性的物质，即磁石，从电机、微波炉、冰箱等家电，到手机、电脑等IT设备，在我们的日常生活中都是不可缺少的存在。 一般的强磁性体是具有足够厚度的三维(体)物质，为了控制其强磁性，需要施加磁场。 另一方面，在只有原子水平厚度的二维物质中，除了磁场以外，电场、压力、应变等也容易控制强磁性，因此有可能应用于要求小型化和节能化的新一代磁器件。
自1966年美国康奈尔大学的马丁和瓦格纳提出“没有方向性的二维物质不会使磁性稳定化”的马丁·瓦格纳定理(图1 )以来，二维物质的强磁性的实现在半个多世纪以来一直被视为困难。 但是，近年来，层间弱分子间力的范德华( van der Waals:vdW )力(注9)通过实验表明，在中结合的部分物质中，即使减薄到极限也不会失去磁性，受到了很大的关注。 这样二维vdW强磁性体一般具有强磁性转移温度(居里温度:TC)低的问题，为了实用化需要进一步的研究。
在这种情况下，最近有报告称，用非vdW力结合的铬( Cr )化合物的一部分也可以实现二维强磁性，期待为高温下的强磁性实现开辟新的道路。 然而，到目前为止，实验验证几乎没有进展。
今后的措施东北大学研究生院理学研究科的C. W. Chuang研究生(研究当时)、菅原克明副教授、同大材料科学高等研究所( WPI-AIMR )的佐藤宇史教授、同大多元物质科学研究所的组头广志教授、量子科学技术研究开发机构( QST ) NanoTerasu中心的堀场弘司古尔 北村未步主任研究员(研究当时:高能加速器研究机构( KEK )物质结构科学研究所助教)、台湾同步辐射研究中心、法国洛林大学及SOLEIL辐射光设施的国际共同研究小组，理论上预测在二次元的极限会实现强磁性的非vdW型铬硒化合物Cr2Se3着眼于(图2a )。 散装状态的Cr2Se3是一种通过相邻自旋反平行排列而不具有净磁化的反铁磁体，作为磁性材料的实用性迄今为止几乎没有被期待。 本研究组采用分子束外延法，在石墨烯上沉积Cr2Se3的1~3层( 1层对应于Se-Cr-Se-Cr-Se的5个原子层)构成的超薄膜的制作成功了。
使用辐射光的x射线磁圆二色性( XMCD )(注10）通过测量和东北大学KEK共同开发的微ARPES装置(图2b )进行的测量结果表明，与本体不同，这些薄膜试样均显示出铁磁性。 而且，膜厚从3层越薄到1层，TC有150 K、175 K、225 K (单位的读法是开尔文。 分别相当于-123.15℃、-98.15℃、-48.5℃。 )阶段性上升，TC我们发现，越高的样品，传导电子载流子越多。 另外，Cr2Se3薄膜和石墨烯衬底的能带结构(注11）进行精密观测时(图2c )，这些电子载流子是由通过界面从石墨烯注入的电子产生的(图2a )，另外还有Cr 3d电子(注12）源于的导带的“谷”(图2d :谷电子)引起的费米面自旋极化的“自旋-谷耦合”(注13）中所述情节，对概念设计中的量体执行面积分析。
该成果在世界上首次证明了自旋-谷耦合是高温强磁性的关键，并且通过与基板的结进行载流子注入，可以很容易地控制薄膜强磁性。 今后，通过应用这种高温强磁性机制，有望发展应用于新一代自旋电子学器件和节能元件等。
今后的发展本研究通过使用放射光的尖端分光方法，对Cr2Se3阐明了薄膜中的高温铁磁性及其起源。 通过证实来自基板的电子转移对获得高转变温度是有效的，发现同样的机制也有可能适用于其他二维物质，更高TC我对实现的期待很高。 今后，如果实现超过室温的强磁性，以及随之而来的载流子注入和外场(外部施加的磁场、电场、光照射等)控制，将会为应用该机制的新自旋电子学器件和元件的开发开辟道路。
此外，本成果再次表明，高亮度辐射光对阐明磁性、电子状态和功能性极为有用。 在量子科学技术研究开发机构( QST )和光科学创新中心( PhoSIC )配备并在东北大学用地内开始运转的3 GeV高亮度辐射光设施( NanoTerasu )中，如果以本研究得到的知识为基础导入并运转纳米聚光ARPES装置的话 可以认为，随着对各种材料中创新功能的进一步理解和开拓，对产业和社会的波及效果也很大。
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图1: 1966年，马丁和瓦格纳给出了理论预测，认为在三维物质中铁磁性秩序稳定，而在没有方向性的二维物质中，由于热波动等原因磁秩序不稳定(左图: 3维，右图: 2维)。
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图2: (a )石墨烯衬底上生长的单层Cr2Se3的晶体结构示意图。 ( b )微ARPES设备的照片。 通过对物质表面照射紫外线，精密测量外部光电效应释放的光电子的能量和动量，可以明确物质的电子结构。 另外，通过将照射光缩小到微米级，可以局部分析磁畴分离的微小区域的电子结构。 ( c )由微ARPES确定的单层Cr2Se3的能带结构。 ( d )电子因来自石墨烯基板的电子转移而占据的谷状态。
致谢词本成果是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“基于拓扑材料科学的具有创新功能的材料器件的创造”研究领域(研究总结:上田正仁)中的研究课题“基于纳米自旋ARPES的混合拓扑材料创制”( jp MJC 另外，实验通过高能加速器研究机构物质结构科学研究所放射光共同利用实验课题(课题编号: 2020G669、2021S2-001、2021G005、2022G007、2022PF-G005 )实施。
术语说明注1 .放射光
是使具有数GeV (千兆电子伏)级能量的电子在圆形加速器内旋转，在磁场中使轨道弯曲时放出的具有高指向性的电磁波的总称。 涵盖从红外线到可见光、紫外线、x射线、γ射线的广泛波段，用于材料科学、设备开发、环境科学、医学、生物学、考古学等丰富多彩的领域中分析原子分子结构和元素的状态。
注2 .石墨烯
是碳原子呈六角形结构，二维呈蜂巢状扩展的片状物质。 可以通过非常薄地剥离石墨(石墨)等得到。 石墨烯中的电子显示出被称为“狄拉克电子”的特有的能量动量关系。
注3 .旋转
电子所具有的来自自转的磁矩，可以视为最小单位的磁铁。 自旋的方向有向上和向下两种状态，在物质中通过电磁相互作用等在各个方向上排列。 在强磁性体(磁铁)中，自旋向一个方向一致，但在反强磁性体中，为了相互抵消而排列，表观磁化为零。
注4 .自旋电子学
这是利用电子的磁性性质自旋，开发全新类型的电子器件的研究领域。 由于电子自旋响应快，信息的保持几乎不需要电力，所以期待着实现超越以往基于电荷的技术的超高速、超低功耗的新一代集成电路。
注5 .强磁性
一般称为磁铁的现象，是指物质内部的电子自旋在同一方向一致的状态。
注6 .反铁磁体
在一般的强磁性体中，电子自旋在一个方向上对齐成为磁铁，而在反强磁性体中，自旋向相反方向排列，整体上具有抵消磁化的性质。 自旋的排列形态复杂的情况也很多，与强磁性体相比，反强磁性体在种类上存在更多。
注7、分子束外延法
这是通过加热配置在超高真空中的多个蒸镀源(材料)使其蒸发，使其蒸汽堆积在相对的基板上而形成薄膜的方法。 一大特征是可以在原子水平控制膜厚的同时制作高质量的单晶薄膜。
注8.微ARPES
ARPES (角度分解光电子分光)是将紫外线和x射线照射到物质表面时放出的光电子(外部光电效应)按能量和运动量进行分解并测量，从而调查物质中的电子状态的方法。 1905年爱因斯坦用光量子假说解释的外部光电效应是基础。 微ARPES通过使用K-B反射镜等将照射光聚光到微米级，可以兼顾高空间分辨率和能量分辨率，高精度地观测试样的微小区域。
注9 .范德华( van der Waals:vdW )力
是作用于原子、离子、分子之间的分子间力的一种，其特征是与共价键和离子键等相比，结合强度较弱。 以石墨(石墨)的层间为首，在很多物质中由该力形成了层状结构。
注10.X射线磁圆二色性( XMCD )
这是通过用圆偏振光的x射线照射试样，调查其吸收光谱的变化来评价磁特性的方法。 吸收强度会变化，以反映自旋及轨道磁矩的大小和方向，从而可以获得强磁性和磁各向异性等信息。
注11 .能带结构
固体中的电子具有特定的能量和动量关系(能带结构)，这由物质的晶体结构和构成元素决定。 该能带结构在很大程度上左右着导电和磁性等物质固有的性质。
注12.3d电子
构成原子核外电子的m壳3d指轨道上的电子。 将原子编号19至30号的元素设为3d称为过渡金属，其中含有Cr和铁( Fe )的19至28号为3d在电子堵塞轨道之前，m壶外侧的n壶4s电子进入轨道。 3d由于轨道的一部分是空的，3d轨道全部填满了，或者3d显示出与没有电子就不会产生磁性的金属不同的性质。
注13 .自旋-谷键
对于空间反转对称性被破坏的过渡金属硫属化物等半导体，即使在零磁场下也会形成自旋分裂状态的能带。 当电子掺杂到导带的“谷”(谷)中时，费米面向自旋极化的谷结构，称为自旋-谷耦合。 通过组合自旋和谷的自由度，可以期待产生各种各样的物性。
论文信息标题:spin-valley coupling enhanced high -TCferro magnetism in a non-van der waals mono layer Cr2Se3on graphene
作者:C.-W. Chuang、T. Kawakami、K. Sugawara、K. Nakayama、S. Souma、M. Kitamura、K. Amemiya、K. Horiba、h.kumia D. Malterre、C. Bigi、F. Bertran、F. H. Chang、H. J. Lin、C. T. Chen、T. Takahashi、A. Chainani、and.satt
*责任作者:东北大学材料科学高等研究所教授佐藤宇史
刊登的杂志:美国航空公司
DOI :10.1038/s41467-025-58643-3
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