二维crcl3单晶的磁学性质研究【字数：10131】
CrCl3是一种层状绝缘体，在室温以下会发生结晶相变，在低温下会反铁磁。这些层之间的弱范德华结合和铁磁面内磁序使其成为获得原子薄磁体和产生范德华异质结构的有希望的材料。在这项工作中，我们生长CrCl3晶体，重新研究了块体材料的结构和热力学性质，并探索了晶体的机械剥离。我们发现在14K和17K的热容量中有两个明显的异常，证实了在冷却时磁序分两个阶段发展，在它们之间形成长程反铁磁序之前，就形成了铁磁关联。磁化数据支持这种情况。根据热容量和磁化结果构造磁相图。我们还发现结晶相变时的磁化率异常，表明磁性和晶格之间存在某种耦合。首先，考虑范德华相互作用的原则,计算也表明了自旋晶格耦合，并发现了与实验观察一致的多个几乎退化的晶体和磁性结构。最后，我们证明了单层和少层CrCl3样品可以通过剥离由块状晶体生产，为研究超薄晶体中的异质结构和磁性提供了一条途径。
目 录
第一章 绪论 1
1.1二维材料的发展及简单特性 1
1.2磁性二维材料的研究 2
1.2.1 铁磁二维材料的研究 3
1.2.2 反铁磁二维材料的研究 3
1.3本论文研究的目的、意义和安排 4
参考文献 5
第二章 材料的制备及表征 6
2.1 CVT实验装置 6
2.2 CVT实验基本过程 6
2.2.1 Cr2O3的制备 6
2.2.2 CrCl3的制备过程 6
2.3 结构表征 7
2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 7
2.3.2 扫描电子显微镜 8
2.3.3 基本物性测量 9
第三章 CrCl3晶体的磁化行为和自旋晶体耦合 10
3.1 引言 10
3.2 晶体结构和自旋晶格耦合 11
3.3 磁化行为和相变 13
3.4 磁各向异性的研究 17
3.5 总结和结论 17
参考文献 18
第四章 结论与展望 20
致谢 21 第一章 绪论
1.1二维材料的发展及简单特性
二维材料是指维度处于纳米1~100nm尺度范围的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
材料，包括纳米片、量子阱、超晶格等。对于它的的认知可以追溯到100年前，由于晶格热扰动，在当时一致认为在热力学上，二维材料是不可以稳定存在。现代光谱学观察到三维层状结构材料，例如块状石墨，是由许多原子层堆叠形成，层与层之间，原子通过范德瓦耳斯力相连，而在层内，原子则通过共价键相连。直到2004年，两位英国科学家Konstantin Novoselov和Andre Geim利用机械剥离方法用胶带将石墨烯从块体石墨中剥离出来，并证明石墨烯是一种相对稳定的二维材料，也正因此，他们于2010年获得了诺贝尔物理学奖。
自从石墨烯被发现后，这种材料很多方面的优异性也体现出来，例如高机械强度、高比表面积、高透光率、质量轻、电导热导性能强等。这激发了学术界对二维材料的研究兴趣，因此其他二维材料如过渡金属二硫化物、磷烯、三卤化铬等也先后被发现。他们都是由层内强化学成键、层间弱范德瓦耳斯力结合的层状材料，因此我们也能通过机械剥离从其三维块体中分离出相应的二维材料。
石墨烯是其中一个具有划时代意义的二维材料，单层石墨烯只有一个碳原子厚，它的厚度是3.35?，CC键长是1.42?，是迄今为止发现的强度最大且厚度最小的二维材料（如图1.1所示）。石墨烯在传感器领域、超级电容方面、能量存储、太阳能电池应用、LED、触摸屏器件和航空航天等其他领域都起到了很大的作用,图1.2列举了石墨烯的一些应用范围。
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图1.1 石墨烯的几何结构
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图1.2 石墨烯的应用范围
1.2磁性二维材料的研究
石墨烯作为第一种二维材料在2004年被发现后，关于磁性二维材料的相关研究工作一直进展缓慢，直到2007年，首篇讲述磁性二维材料的文章得以发表，并且其他关于磁性二维材料的理论研究工作都为二维材料实现磁性提供了几种不同的方法。第一种是通过缺陷诱导磁性的方法，比如可以在二维材料中通过空穴掺杂引入磁性；第二种是直接向无磁性的二维材料中引入磁性元素；第三种则是利用磁近邻相互作用，将没有磁性的二维材料放置于基片，诱导出它的磁性。以上三种方法虽然都可以使二维材料具备磁性，但是却无法保证材料具备长程铁磁有序。为了解决这个缺陷，最为有效的方法是直接利用层状范德瓦尔斯磁性晶体来制备磁性二维材料，这种单晶用以制备二维磁性材料最根本的原因就在于它们本身就具备磁性。
磁性又分为铁磁性和反铁磁性，对磁性二维材料的介绍重点也是在这两个方面。块体单晶是层状且同时具备铁磁性的材料有CrXTe3(X=Si,Ge),CrI3等，而块体范德瓦尔斯材料中具备反铁磁性的材料以FePS3,MnPS4为主。现阶段对磁性二维材料的探究也是以这几种材料为主。
1.2.1 铁磁二维材料的研究
在二维的范德瓦尔斯晶体中实现铁磁的长程有序，使这些材料在磁学、磁光、磁电子学等方面都有着很大的影响力。在2007年关于铁磁二维材料磁性的直接测量才有了初步进展，有计算结果显示，单原子层材料的磁性会随着它的厚度相应改变，例如单层CrSiTe3会由块体时的铁磁性变为反铁磁性，随着材料的减小居里温度反而增加。下面主要介绍CrGeTe3和CrI3这两种二维材料磁性直接测量的相关研究。
当单色偏振光照在磁性介质上时,会在反射光和入射光的偏振面之间形成一个偏转角,这个角就是磁光克尔转角，所形成的效应则被称作为磁光克尔效应。利用磁光克尔效应就能够更加方便快捷地对材料表面的磁性进行直接观测:双层或少层CrGeTe3的铁磁性会随着温度的降低而增强；样品的铁磁性与其厚度无关，不过它们的居里转变温度却有所不同。因此得出符合预期推测的结论：CrGeTe3的居里温度的变化与厚度成正比关系。
通过对CrI3施加一个与二维平面成90°的外磁场进行磁化，可以发现，单层和三层的CrI3和块体依旧保持着铁磁性，然而双层CrI3的磁学性质就与块体的出现了区别。施加的磁场很小的时候，磁光克尔转角基本没有变化，但是当施加的磁场大到一定程度的时候，CrI3才会发生铁磁化。产生这种情况可能是因为当CrI3在施加的磁场很小的时候呈反铁磁态，当外加的磁场逐渐增强时，磁光克尔角也会随之增大，双层CrI3才转变成了铁磁态。磁性随着层数的变化而变化也是铁磁二维材料中一个有趣的现象。
1.2.2 反铁磁二维材料的研究
人们对磁性二维材料的研究并不仅仅局限于铁磁性，反铁磁的研究也逐渐展开。例如在2016年FePS3的单层少层材料的奈尔温度就已经确立。
通过块体单晶已经证实了FePS3材料会在123K的时候出现反铁磁转变。尽管机械剥离制取单层的FePS3比较容易，但是想要通过直接观测的方法来确定一个原子层厚的二维反铁磁材料的磁性却是异常困难的。因此，拉曼光谱作为一种无害检测的方法很受学术界的青睐，在二维磁性材料中，我们只要在拉曼光谱中找出与磁性对应的特征峰，通过峰强或位置改变，就能直接观测反铁磁材料的磁性转变情况。
目 录
第一章 绪论 1
1.1二维材料的发展及简单特性 1
1.2磁性二维材料的研究 2
1.2.1 铁磁二维材料的研究 3
1.2.2 反铁磁二维材料的研究 3
1.3本论文研究的目的、意义和安排 4
参考文献 5
第二章 材料的制备及表征 6
2.1 CVT实验装置 6
2.2 CVT实验基本过程 6
2.2.1 Cr2O3的制备 6
2.2.2 CrCl3的制备过程 6
2.3 结构表征 7
2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 7
2.3.2 扫描电子显微镜 8
2.3.3 基本物性测量 9
第三章 CrCl3晶体的磁化行为和自旋晶体耦合 10
3.1 引言 10
3.2 晶体结构和自旋晶格耦合 11
3.3 磁化行为和相变 13
3.4 磁各向异性的研究 17
3.5 总结和结论 17
参考文献 18
第四章 结论与展望 20
致谢 21 第一章 绪论
1.1二维材料的发展及简单特性
二维材料是指维度处于纳米1~100nm尺度范围的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
材料，包括纳米片、量子阱、超晶格等。对于它的的认知可以追溯到100年前，由于晶格热扰动，在当时一致认为在热力学上，二维材料是不可以稳定存在。现代光谱学观察到三维层状结构材料，例如块状石墨，是由许多原子层堆叠形成，层与层之间，原子通过范德瓦耳斯力相连，而在层内，原子则通过共价键相连。直到2004年，两位英国科学家Konstantin Novoselov和Andre Geim利用机械剥离方法用胶带将石墨烯从块体石墨中剥离出来，并证明石墨烯是一种相对稳定的二维材料，也正因此，他们于2010年获得了诺贝尔物理学奖。
自从石墨烯被发现后，这种材料很多方面的优异性也体现出来，例如高机械强度、高比表面积、高透光率、质量轻、电导热导性能强等。这激发了学术界对二维材料的研究兴趣，因此其他二维材料如过渡金属二硫化物、磷烯、三卤化铬等也先后被发现。他们都是由层内强化学成键、层间弱范德瓦耳斯力结合的层状材料，因此我们也能通过机械剥离从其三维块体中分离出相应的二维材料。
石墨烯是其中一个具有划时代意义的二维材料，单层石墨烯只有一个碳原子厚，它的厚度是3.35?，CC键长是1.42?，是迄今为止发现的强度最大且厚度最小的二维材料（如图1.1所示）。石墨烯在传感器领域、超级电容方面、能量存储、太阳能电池应用、LED、触摸屏器件和航空航天等其他领域都起到了很大的作用,图1.2列举了石墨烯的一些应用范围。
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图1.1 石墨烯的几何结构
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图1.2 石墨烯的应用范围
1.2磁性二维材料的研究
石墨烯作为第一种二维材料在2004年被发现后，关于磁性二维材料的相关研究工作一直进展缓慢，直到2007年，首篇讲述磁性二维材料的文章得以发表，并且其他关于磁性二维材料的理论研究工作都为二维材料实现磁性提供了几种不同的方法。第一种是通过缺陷诱导磁性的方法，比如可以在二维材料中通过空穴掺杂引入磁性；第二种是直接向无磁性的二维材料中引入磁性元素；第三种则是利用磁近邻相互作用，将没有磁性的二维材料放置于基片，诱导出它的磁性。以上三种方法虽然都可以使二维材料具备磁性，但是却无法保证材料具备长程铁磁有序。为了解决这个缺陷，最为有效的方法是直接利用层状范德瓦尔斯磁性晶体来制备磁性二维材料，这种单晶用以制备二维磁性材料最根本的原因就在于它们本身就具备磁性。
磁性又分为铁磁性和反铁磁性，对磁性二维材料的介绍重点也是在这两个方面。块体单晶是层状且同时具备铁磁性的材料有CrXTe3(X=Si,Ge),CrI3等，而块体范德瓦尔斯材料中具备反铁磁性的材料以FePS3,MnPS4为主。现阶段对磁性二维材料的探究也是以这几种材料为主。
1.2.1 铁磁二维材料的研究
在二维的范德瓦尔斯晶体中实现铁磁的长程有序，使这些材料在磁学、磁光、磁电子学等方面都有着很大的影响力。在2007年关于铁磁二维材料磁性的直接测量才有了初步进展，有计算结果显示，单原子层材料的磁性会随着它的厚度相应改变，例如单层CrSiTe3会由块体时的铁磁性变为反铁磁性，随着材料的减小居里温度反而增加。下面主要介绍CrGeTe3和CrI3这两种二维材料磁性直接测量的相关研究。
当单色偏振光照在磁性介质上时,会在反射光和入射光的偏振面之间形成一个偏转角,这个角就是磁光克尔转角，所形成的效应则被称作为磁光克尔效应。利用磁光克尔效应就能够更加方便快捷地对材料表面的磁性进行直接观测:双层或少层CrGeTe3的铁磁性会随着温度的降低而增强；样品的铁磁性与其厚度无关，不过它们的居里转变温度却有所不同。因此得出符合预期推测的结论：CrGeTe3的居里温度的变化与厚度成正比关系。
通过对CrI3施加一个与二维平面成90°的外磁场进行磁化，可以发现，单层和三层的CrI3和块体依旧保持着铁磁性，然而双层CrI3的磁学性质就与块体的出现了区别。施加的磁场很小的时候，磁光克尔转角基本没有变化，但是当施加的磁场大到一定程度的时候，CrI3才会发生铁磁化。产生这种情况可能是因为当CrI3在施加的磁场很小的时候呈反铁磁态，当外加的磁场逐渐增强时，磁光克尔角也会随之增大，双层CrI3才转变成了铁磁态。磁性随着层数的变化而变化也是铁磁二维材料中一个有趣的现象。
1.2.2 反铁磁二维材料的研究
人们对磁性二维材料的研究并不仅仅局限于铁磁性，反铁磁的研究也逐渐展开。例如在2016年FePS3的单层少层材料的奈尔温度就已经确立。
通过块体单晶已经证实了FePS3材料会在123K的时候出现反铁磁转变。尽管机械剥离制取单层的FePS3比较容易，但是想要通过直接观测的方法来确定一个原子层厚的二维反铁磁材料的磁性却是异常困难的。因此，拉曼光谱作为一种无害检测的方法很受学术界的青睐，在二维磁性材料中，我们只要在拉曼光谱中找出与磁性对应的特征峰，通过峰强或位置改变，就能直接观测反铁磁材料的磁性转变情况。
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