在Cr插层CrTe2中实现显著的垂直磁各向异性

磁各向异性是磁性材料的一个关键特征，意味着存在磁矢量的择优取向，它在低维体系中发挥着稳定磁有序结构的关键作用。根据Mermin-Wagner理论，如果没有磁各向异性，空间维度低于3的系统中不可能存在磁长程有序。近年来发现的二维磁性材料，如CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆, Fe₃GeTe₂, 和 CrTe₂ 等，证实了磁各向异性的关键作用。

同时，磁各向异性也是磁性材料能够发挥实际应用的一个关键因素。在微纳米尺度上的自旋电子器件中，磁性材料通常被制成薄层。从应用的角度来看，人们希望使用具有垂直于平面的磁各向异性（perpendicular magnetic anisotropy，PMA）层状材料，因为与面内磁各向异性相比，PMA材料具有扩展性、耐久性、热稳定性和低开关电流密度等优点。

虽然PMA存在于超薄CrI₃和Fe_1/4TaS₂中，但其居里温度远低于室温；单分子层MnSe_x 在室温下具有PMA，但是其铁磁性很弱。此外，除了具有较强的PMA和室温磁性要求，理想的自旋电子应用候选材料还应具有较强自旋极化的饱和磁化强度和较大的反常霍尔角，以获得良好的电荷自旋转换效率。因此，探索满足这些要求的新层状铁磁体是非常重要的研究方向。

图1. Cr插层CrTe2的晶体结构

图2. 费米面和能带色散的测量结果

中国科学技术大学材料科学与工程系的向斌教授，在CrTe₂中通过Cr原子的插层将CrTe₂的面内磁各向异性转换为PMA，并且具有高于室温的居里转变温度（~310K）。利用国家同步辐射实验室的角分辨光电子能谱实验站，向斌课题组表征了该材料的能带结构并揭示了半金属电子结构特征。

该材料易于剥离解理，可以制备成厚度为10 nm的薄片，并且具有很强的稳定性和较高的饱和磁化强度(208 emu cm⁻³ @ 300 K)。在300 K时，该材料呈现较大的反常霍尔角(2.23%)和巨反常霍尔因子(∼0.18)。这些优异的性能使得该材料在应用中具有突出的优势，该工作也为自旋电子器件的研究提供了一个很有前途的平台，并为控制层状材料中的磁各向异性提供了一条新的途径。

相关研究成果以“Significant perpendicular magnetic anisotropy in room-temperature layered ferromagnet of Cr-intercalated CrTe2”为题发表于学术期刊《2D Materials》(2D Mater. 8, 031003 (2021))。