二維材料的出現為探索和調控二維極限下新奇的物理現象提供了絕佳的平台，也推動了當代凝聚态物理和電子器件的發展。二維材料擁有衆多奇異的物理特性，其中，二維磁性因其在自旋電子學中潛在的應用前景而成為最受關注的科學前沿之一。近年來，科研工作者發現了一系列的本征二維磁性材料，例如CrI3、Fe3GeTe2等。然而，它們中的大部分在空氣中不穩定，這不僅阻礙了對二維磁性的深入研究，也極大限制了二維磁性在自旋電子學領域的應用。 因此，如何在空氣中穩定的二維材料中誘導磁性成為該研究領域的關鍵問題之一。
最近，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授和清華大學物理系段文晖院士、beat365工學院張豔鋒教授合作，在過渡金屬硫族化合物PtSe2薄片中發現了由Pt原子空位引起的局域磁矩，并揭示了局域磁矩随樣品厚度的依賴性和産生機制。該工作于2020年12月11日在線發表在學術期刊《Advanced Materials》上。王健教授、段文晖院士和張豔鋒教授為文章的共同通訊作者。beat365博士生葛軍、本科生羅天創（已畢業）、清華大學博士生林祖漲和武漢大學特聘研究員史建平為文章的共同第一作者。
圖1. PtSe2薄片的原子結構和輸運性質。(a) 透射電子顯微鏡下觀測到的PtSe2的原子結構與1T相面内結構和層間堆疊示意圖。(b) 電阻和溫度的關系（橫軸溫度坐标為對數形式）。黑色圓點是實驗數據，紅色曲線是Kondo效應的模型拟合。插圖是實驗測量的器件示意圖。(c) 在樣品面内施加磁場時測得的各向同性負磁阻。(d) 面内磁場垂直于電流時不同溫度下的磁阻曲線。
圖2. PtSe2薄片中Pt原子空位誘導局域磁矩的理論解釋。(a) 樣品表面Pt原子缺陷（藍色圓圈）和近鄰Se原子上誘導的磁矩（紅色箭頭）示意圖。(b) Pt原子空位的三個近鄰Se原子p軌道不同自旋态的态密度。(c) 不同局域磁矩方向所對應的磁構型的能量。β是磁矩方向與樣品平面法線的夾角。
研究人員使用化學氣相沉積的方法生長了厚度在8-70 nm之間的PtSe2薄片，并利用透射電子顯微鏡和選區電子衍射等手段确認了薄片樣品良好的單晶性。研究人員進一步制備了不同厚度的PtSe2器件并測量了這些器件的電輸運性質，他們發現，高溫下樣品的縱向電阻随着溫度的降低而降低，表現出金屬性；低溫下樣品電阻随着溫度的降低對數增大并在極低溫下趨于飽和。除此之外，低溫下，磁場施加在薄片樣品面内時，樣品表現出各向同性的負磁阻行為。進一步的分析表明，随溫度降低對數增大的縱向電阻以及面内各向同性的負磁阻來源于Kondo效應。Kondo效應一般出現在摻有磁性雜質原子的非磁性金屬中，由宿主電子與局域磁矩自旋發生散射而産生。然而，系統的表征結果顯示，研究人員生長的PtSe2薄片中并不存在磁性原子雜質。
研究人員通過理論計算揭示了PtSe2薄片中局域磁矩的來源。PtSe2薄片裡存在着Pt原子的空位，這些Pt原子空位會使得三個近鄰Se原子p軌道的占據态在費米能級附近的自旋分布産生非對稱性，從而産生以Pt原子空位為中心的局域磁矩。更有趣的是，研究團隊發現局域磁矩的大小與樣品厚度有關：越薄的薄片中局域磁矩越大。理論上，樣品中的局域磁矩主要由樣品表面的Pt原子空位貢獻，而越薄的薄片樣品表面層在樣品中所占的比例越大，因此越薄的樣品具有越大的平均磁矩，與實驗觀測結果相吻合。這一工作為在非磁性的二維材料中，尤其是空氣中穩定的二維材料中，實現原子尺度上的磁性調控提供了新的思路，對自旋電子學和量子信息等領域的發展具有潛在的重要價值。
該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中科院卓越創新中心先導專項和清華大學低維量子物理國家重點實驗室開放基金的支持。
原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005465
