crps4单晶的各向异性磁化行为研究【字数：9018】
本文用化学气相输运法生长了二维CrPS4单晶。通过室温X射线衍射、电阻率????(T)、比热Cp(T)和电子自旋共振(ESR)等测量，研究了材料的晶体结构、磁性、电子和热传输特性。CrPS4晶体结晶为单斜晶系结构。电阻率????(T)表现出半导体行为，能量间隙Ea为0.166 eV。CrPS4单晶的热容量Cp有温度依赖性，其反铁磁转变温度TN约为36K。在C轴上观察了外加磁场引起的自旋翻转，讨论了CrPS4单晶的磁相图。在TN处磁熵约为10.8J/mol K，与的S=3/2的理论值Rln(2S+1)一致。基于平均场理论和 TN以上的磁化率拟合，得到了层内和层间相互作用的磁交换常数和约为0.143meV和0.955meV，与ESR测量结果一致。通过对CrPS4晶体的各种研究，该晶体的一些物理性质在很多方面能够得到应用。单分子层CrPS4在磁性能调谐方面具有广阔的应用前景。
目录
第一章 绪论 1
1.1二维材料 1
1.1.1二维材料的简介 1
1.1.2过渡金属硫族化合物 2
1.2二维磁性材料发展 3
1.2.1反铁磁性二维材料的研究 3
1.2.2铁磁性二维材料的研究 3
第二章 制备方法和表征手段 4
2.1 材料制备方法 4
2.1.1 化学气相传输（CVT）法 4
2.2材料表征手段 4
2.2.1 X射线衍射（XRD）法 4
2.2.2扫描电子显微镜（SEM）分析法 5
2.2.3PPMSVSM（综合物性测量系统） 6
第三章 二维CrPS4单晶的自旋动力学、电子和热输运性质 7
3.1引言 7
3.2样品制备 7
3.3实验结果和分析 8
3.4本章小结 20
第四章 结论与展望 21
4.1结论 21
4.2展望 21
参考文献 22
致谢 24
第一章 绪论
1.1二维材料
1.1.1二维材料的简介
二维材料是2004年在曼切斯特大学（Univers *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
ity of Manchester）Geim[1]小组分离出石墨烯（graphene）而提出来的。如图1.1所示，这就是二维材料中的一种，它是由很多的原子层堆砌而成。
/
图1.1石墨单晶结构
石墨烯展现了很多传统材料所不具备的性质:室温下超高载流子迁移率（室温下超过15000 cm2/Vs）、高杨氏模量（约1.1TPa）、良好的热导率（高达5300 W/mK）、优良的光学通过率（97.7%）等等。人们把优良的性质应用于太阳能电池、超级电容制作、气体检测等诸多领域。由于石墨烯是零带隙材料，不能够提供低的截止态电流，以至于另外一些方面石墨烯不能够有所应用。于是，随着人们对二维材料的深入研究，发现了一种可以很好的弥补这一缺陷的材料：过渡金属硫族化合物。这一材料在可变化的带隙及制作场效应管以及很多其他光电器件上有着很好的应用前景。
/
图1.2二维材料结构（从上至下：石墨烯，BN，MoS2，WSe2）
1.1.2过渡金属硫族化合物
过渡金属硫族化合物是一个过渡金属原子层被两个硫族原子层包覆的“三明治”结构，如图1.2 中下两个结构就是两种过渡金属硫族化合物的示意图。二维材料家族中还有一位重要一员TMDs，它有着与石墨烯相类似的结构，层内具有很强的化学键，但层与层之间只靠弱的范得瓦尔斯力结合，这使其可以借助剥离来不断减薄直至单层。其中，MoS2、WS2、WSe2 等常见的 TMDs 以其良好的稳定性、特殊的能带结构等性质受到人们关注，并且在场效应晶体管、光电探测器和发光二极管等[2,3,4]方面的应用也被人们广泛研究。过渡金属的出现是特别有利的，因为它为许多物理性质打开了大门。通过对过渡金属硫化物的研究能够更好地了解单晶的体积特性，为进一步的研究打下基础，从而单层将有一个更好的基础，有着重要的现实意义。
1.2二维磁性材料发展
2017年第一篇磁性二维材料的试验工作发表，为物理界的诸多领域发展提供了重要的基础。在此之前也有很多关于磁性二维材料的理论研究，为了使二维材料能够有磁性，科学家们也为此有几套方案。其中一种就是向Ge、Se中参入杂质使其具有磁性，另外一种就是向二维材料中直接引入一种磁性元素来代替材料中的原子，还有一种就是磁性诱导，将无磁性的二维材料放在磁性基片上，使其诱导出磁性。但是这几种方法都不能够很好的是二维材料能够产生长程的铁磁有序。为了解决这一问题，于是科学家们发现可以直接通过层状范德瓦尔斯磁性晶体来制备磁性二维材料。而磁性分为两种，分别是铁磁性和反铁磁性，最近几年我们对铁磁性二维材料研究最多的便是：CrXTe3（X=Si、Ge）、CrI3等等。而反铁磁性研究的最多的是：FePS3、MnPS4等等。
1.2.1反铁磁性二维材料的研究
自从人们发现了磁性二维材料以后，不仅对铁磁性二维材料研究颇多，对反铁磁性二维材料也有大量的研究，2016年研究者就得出单层FePS3的少数层材料的奈尔温度。[5]FePS3的原子层和原子层之间是由范德瓦尔斯力连接的，我们可以通过简单的机械剥离法来制备单层的FePS3材料。可是这样的方法制备出来的材料就有一个缺陷，那就是这种材料可以获得的测量信号非常小，在观测单层原子层厚度材料的磁性就会非常困难。为了解决这一问题，研究者们找到了一种无损检测方法：拉曼光谱。拉曼光谱在二维材料的研究已经起着非常重要的作用，这种方法是根据材料的特征拉曼峰强度或者是未知的变化来确定材料的厚度和振动模式。
1.2.2铁磁性二维材料的研究
铁磁性二维材料是范德瓦尔斯晶体中能够实现长程铁磁有序，这种材料在磁学、磁电子学、磁光等很多领域都有着非常重要的作用。2017年，一篇关于铁磁性二维材料的报道让让研究者们的实验研究得到了验证[6]。理论科学家对铁磁性二维材料的各种性质做了大量的研究发现，在MerminWagner理论中，二维材料的长程磁有序受到了热扰动的抑制作用，但是可以通过磁晶的各向异性抵消掉热扰动。科学家们通过理论计算得出层状磁性材料在通过机械剥离法剥离成少数原子层或者单原子层后，材料的磁性任然存在，而材料的居里温度和材料的厚度成负相关。
第二章 制备方法和表征手段
2.1 材料制备方法
2.1.1 化学气相传输（CVT）法
化学气相传输（CVT）法是德国著名科学家Schafer在二十世纪七十年代所提出来的一项技术，在经过三十多年的不断发展，该技术越来越成熟，最终使得这一项技术在固相合成、纯化以及晶体生长方面有着非常重要的价值。化学气相传输法是一种应用非常普遍的制备方法，因为该方法所用的设备很简单，生产成本也很低，最重要的是安全可靠性还非常的高，所以该方法在现如今是制备晶体的一种很常用的方法。用这一种方法，可以使非挥发性的物质与传输剂在一定问的梯度内发生传输，且这一种方法还可以使不挥发及易分解的物质在远低于其直接挥发的温度下转化为更为优质的单晶。以至于该技术的独特之处就是能获得亚稳相单晶。
目录
第一章 绪论 1
1.1二维材料 1
1.1.1二维材料的简介 1
1.1.2过渡金属硫族化合物 2
1.2二维磁性材料发展 3
1.2.1反铁磁性二维材料的研究 3
1.2.2铁磁性二维材料的研究 3
第二章 制备方法和表征手段 4
2.1 材料制备方法 4
2.1.1 化学气相传输（CVT）法 4
2.2材料表征手段 4
2.2.1 X射线衍射（XRD）法 4
2.2.2扫描电子显微镜（SEM）分析法 5
2.2.3PPMSVSM（综合物性测量系统） 6
第三章 二维CrPS4单晶的自旋动力学、电子和热输运性质 7
3.1引言 7
3.2样品制备 7
3.3实验结果和分析 8
3.4本章小结 20
第四章 结论与展望 21
4.1结论 21
4.2展望 21
参考文献 22
致谢 24
第一章 绪论
1.1二维材料
1.1.1二维材料的简介
二维材料是2004年在曼切斯特大学（Univers *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
ity of Manchester）Geim[1]小组分离出石墨烯（graphene）而提出来的。如图1.1所示，这就是二维材料中的一种，它是由很多的原子层堆砌而成。
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图1.1石墨单晶结构
石墨烯展现了很多传统材料所不具备的性质:室温下超高载流子迁移率（室温下超过15000 cm2/Vs）、高杨氏模量（约1.1TPa）、良好的热导率（高达5300 W/mK）、优良的光学通过率（97.7%）等等。人们把优良的性质应用于太阳能电池、超级电容制作、气体检测等诸多领域。由于石墨烯是零带隙材料，不能够提供低的截止态电流，以至于另外一些方面石墨烯不能够有所应用。于是，随着人们对二维材料的深入研究，发现了一种可以很好的弥补这一缺陷的材料：过渡金属硫族化合物。这一材料在可变化的带隙及制作场效应管以及很多其他光电器件上有着很好的应用前景。
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图1.2二维材料结构（从上至下：石墨烯，BN，MoS2，WSe2）
1.1.2过渡金属硫族化合物
过渡金属硫族化合物是一个过渡金属原子层被两个硫族原子层包覆的“三明治”结构，如图1.2 中下两个结构就是两种过渡金属硫族化合物的示意图。二维材料家族中还有一位重要一员TMDs，它有着与石墨烯相类似的结构，层内具有很强的化学键，但层与层之间只靠弱的范得瓦尔斯力结合，这使其可以借助剥离来不断减薄直至单层。其中，MoS2、WS2、WSe2 等常见的 TMDs 以其良好的稳定性、特殊的能带结构等性质受到人们关注，并且在场效应晶体管、光电探测器和发光二极管等[2,3,4]方面的应用也被人们广泛研究。过渡金属的出现是特别有利的，因为它为许多物理性质打开了大门。通过对过渡金属硫化物的研究能够更好地了解单晶的体积特性，为进一步的研究打下基础，从而单层将有一个更好的基础，有着重要的现实意义。
1.2二维磁性材料发展
2017年第一篇磁性二维材料的试验工作发表，为物理界的诸多领域发展提供了重要的基础。在此之前也有很多关于磁性二维材料的理论研究，为了使二维材料能够有磁性，科学家们也为此有几套方案。其中一种就是向Ge、Se中参入杂质使其具有磁性，另外一种就是向二维材料中直接引入一种磁性元素来代替材料中的原子，还有一种就是磁性诱导，将无磁性的二维材料放在磁性基片上，使其诱导出磁性。但是这几种方法都不能够很好的是二维材料能够产生长程的铁磁有序。为了解决这一问题，于是科学家们发现可以直接通过层状范德瓦尔斯磁性晶体来制备磁性二维材料。而磁性分为两种，分别是铁磁性和反铁磁性，最近几年我们对铁磁性二维材料研究最多的便是：CrXTe3（X=Si、Ge）、CrI3等等。而反铁磁性研究的最多的是：FePS3、MnPS4等等。
1.2.1反铁磁性二维材料的研究
自从人们发现了磁性二维材料以后，不仅对铁磁性二维材料研究颇多，对反铁磁性二维材料也有大量的研究，2016年研究者就得出单层FePS3的少数层材料的奈尔温度。[5]FePS3的原子层和原子层之间是由范德瓦尔斯力连接的，我们可以通过简单的机械剥离法来制备单层的FePS3材料。可是这样的方法制备出来的材料就有一个缺陷，那就是这种材料可以获得的测量信号非常小，在观测单层原子层厚度材料的磁性就会非常困难。为了解决这一问题，研究者们找到了一种无损检测方法：拉曼光谱。拉曼光谱在二维材料的研究已经起着非常重要的作用，这种方法是根据材料的特征拉曼峰强度或者是未知的变化来确定材料的厚度和振动模式。
1.2.2铁磁性二维材料的研究
铁磁性二维材料是范德瓦尔斯晶体中能够实现长程铁磁有序，这种材料在磁学、磁电子学、磁光等很多领域都有着非常重要的作用。2017年，一篇关于铁磁性二维材料的报道让让研究者们的实验研究得到了验证[6]。理论科学家对铁磁性二维材料的各种性质做了大量的研究发现，在MerminWagner理论中，二维材料的长程磁有序受到了热扰动的抑制作用，但是可以通过磁晶的各向异性抵消掉热扰动。科学家们通过理论计算得出层状磁性材料在通过机械剥离法剥离成少数原子层或者单原子层后，材料的磁性任然存在，而材料的居里温度和材料的厚度成负相关。
第二章 制备方法和表征手段
2.1 材料制备方法
2.1.1 化学气相传输（CVT）法
化学气相传输（CVT）法是德国著名科学家Schafer在二十世纪七十年代所提出来的一项技术，在经过三十多年的不断发展，该技术越来越成熟，最终使得这一项技术在固相合成、纯化以及晶体生长方面有着非常重要的价值。化学气相传输法是一种应用非常普遍的制备方法，因为该方法所用的设备很简单，生产成本也很低，最重要的是安全可靠性还非常的高，所以该方法在现如今是制备晶体的一种很常用的方法。用这一种方法，可以使非挥发性的物质与传输剂在一定问的梯度内发生传输，且这一种方法还可以使不挥发及易分解的物质在远低于其直接挥发的温度下转化为更为优质的单晶。以至于该技术的独特之处就是能获得亚稳相单晶。
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