圖一：樣品結構示意圖：Pd/Co雙層奈米薄膜蒸鍍在機械剝離的FePS3基底之上。

圖二：(a)機械剝離的FePS3表面：由AFM原子力顯微鏡量測的具有線輪廓的光學影像和表面形貌。左下圖顯示從剝離的FePS3表面測量的拉曼光譜數據。(b)具有線輪廓的Pd/Co/FePS3異質結構的表面形貌圖像。

圖三：(a)在溫度300 K透過磁光克爾效應隨平面內方位角旋轉，所測量2 nm-Pd/7 nm-Co/FePS3的磁滯曲線。(b)將(a)圖中磁矯頑力（Hc）數據總結繪製於極坐標圖，此結果顯示各向同性的磁行為。(c)2 nm-Pd/7 nm-Co/FePS3的磁滯曲線，於85 K至300 K的溫度區間所測量之數據。(d)總結從(c)推導出的Hc值，繪製為隨測量溫度變化的趨勢數據。

【本篇報導由物理學系 林文欽教授研究團隊提供】

在此實驗研究中，Co-薄膜沉積在FePS₃二維反鐵磁材料上，用於研究其介面磁耦合現象；這對於未來自旋電子元件之應用至關重要。在原子力顯微鏡觀察下，機械剝離的FePS₃表面由±1單層高度內的缺陷組成。Co薄膜均勻地覆蓋在FePS₃基底上，其表面粗糙度約在±0.5 nm以內。2 nm-Pd/7 nm-Co/FePS₃在表面表現出各向同性的磁行為。當溫度從85 K升高到110-120 K時，其矯頑力急劇下降。此結果意指當接近FePS₃的尼爾相變溫度110-120 K時，Co和FePS₃之間的介面磁耦合也產生劇烈變化。即使在高達200 °C的退火後，Co/FePS₃的介面磁耦合現象也很穩定。此外，測量其X-射線磁圓二色性證實了FePS₃表面Fe的凈磁矩存在，其方向平行於Co磁化方向。介面的Fe磁矩扮演於「垂直反鐵磁性FePS₃」與「平面鐵磁Co薄膜」之間的重要磁耦合作用。

此研究樣品的分層結構示意如圖一。透過電子束加熱蒸鍍法，我們將Pd/Co雙層奈米薄膜蒸鍍於機械剝離的FePS₃塊材基底表面上。希望藉由此異質結構樣品的磁性分析，了解傳統金屬鐵磁材料Co是否能與新穎反鐵磁二維材料FePS₃產生介面磁耦合現象。尤其Co薄膜是水平磁化，與FePS₃的垂直反鐵磁矩相夾90度，其介面磁耦合行為更是令人好奇。

此異質結構樣品的相關量測確認結果如圖二。拉曼光譜顯示FePS₃的特徵峰值，機械剝離的FePS₃表面起伏約在±1奈米之間，表面有許約1奈米落差的空洞缺陷。覆蓋Pd/Co雙層薄膜之後，表面形貌變得更為平整，起伏約在±0.5奈米以內。這些數據顯示了Pd/Co/FePS₃異質結構樣品的介面幾乎是原子等級的平整度，而原本機械剝離的FePS₃表面空洞缺陷也被後來覆蓋的Pd/Co雙層薄膜填得更平整。這些介面上的Co與FePS₃缺陷直接接觸，進而產生磁耦合，對整個集體磁性行為扮演關鍵性的角色。

Pd/Co/FePS₃異質結構隨水平旋轉角、溫度變化所量測得到的磁滯曲線原始數據如圖三。其分析結果顯示磁易軸位於薄膜水平面，而且各向同性的磁行為。磁矯頑力（Hc）在110-120 K溫度區間有很明顯地變化。隨溫度下降，Hc在此區間增加了近1倍的數值，這遠高於原本降溫應有的效應，也明顯反映了，在此溫度區間以下，FePS₃由順磁性轉變為穩定的反鐵磁性，並且與Co覆蓋層產生耦合作用，因此大幅增進其矯頑磁場。

總結來說，這項實驗研究成功地證明了，在「金屬鐵磁層／二維反鐵磁材料」異質結構中的介面磁耦合作用的存在，將能夠對於未來應用二維材料於自旋電子元件提供重要的貢獻。

原文出處：

Dhanarajgopal, A., Chang, P. C., Liu, S. Y., Chuang, T. H., Wei, D. H., Kuo, C. C., Kuo, C. N., Lue, C. S., & Lin, W. C.(2021).Interfacial magnetic coupling in Co/antiferromagnetic van der Waals compound FePS3. Applied Surface Science,567, [150864]. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150864

本文出處：研究發展處研究亮點

原始連結：https://rh.acad.ntnu.edu.tw/tw/article/content/220

林文欽 教授 | 物理學系

國立臺灣師範大學物理學系教授兼系主任，研究專長為磁物理、表面物理相關領域。近年專注於可逆氫化磁性材料與新穎二維材料之物理特性、自旋電子元件製作分析之研究主題。