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可解離的準(zhǔn)二維鐵磁化合物在近年來(lái)引起研究人員的廣泛關(guān)注，其中的代表性進(jìn)展是單層CrGeTe₃和CrI₃長(zhǎng)程鐵磁序的發(fā)現(xiàn)，它為研究維度依賴的磁相變和高性能自旋電子器件提供了優(yōu)良體系。新發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)二維Fe₃GaTe₂具有高居里溫度(T_c=342 K)和強(qiáng)垂直磁各向異性，Ga/Te原子與Fe原子的反鐵磁耦合與強(qiáng)烈偏離巡游Stoner模型等行為表明Fe₃GaTe₂具有豐富物性和重要研究?jī)r(jià)值。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心A02組的博士生陳昭旭在郭建剛研究員指導(dǎo)下，通過(guò)標(biāo)度分析與電磁輸運(yùn)對(duì)塊材到二維極限下的Fe₃GaTe₂進(jìn)行了系統(tǒng)研究。圖1(a)給出了Fe₃GaTe₂的(00l)面衍射峰與晶體結(jié)構(gòu)，其c=1.6112 nm。對(duì)單晶減薄后，發(fā)現(xiàn)在厚度小于3 nm的樣品中，出現(xiàn)了類似金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變，10 K以下的電阻可以用Mott變程躍遷擬合，如圖1(b)所示。在Deguchi-Takahashi圖中，T₀代表頻率空間中動(dòng)力學(xué)自旋漲落譜的能量寬度，當(dāng)T₀與T_c相近時(shí)，局域磁性占據(jù)主導(dǎo)。但塊材Fe₃GaTe₂的T_c/T₀為0.14，表明其為弱巡游鐵磁性，Rhodes-Wohlfarth曲線分析同樣支持這一結(jié)論，見圖1(c)。此外，有效磁矩P_eff與自發(fā)磁矩P_s的比值與T_c/T₀關(guān)系可以被Takahashi理論描述，暗示著自旋漲落的存在。標(biāo)度分析擬合出塊材Fe₃GaTe₂鐵磁-順磁相變的臨界指數(shù)為β=0.398(3)，γ=1.10(1)，δ=3.77(6)，表明它是首個(gè)符合長(zhǎng)程交換作用的三維Ising層狀鐵磁體。圖1(d)是169 nm厚度樣品的反?；魻栯娮枨€，其中，140-150K的曲線在磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一個(gè)電阻跳躍，這與交換相互作用與磁各向異性強(qiáng)度比值的提升相關(guān)。

圖1 (a) Fe₃GaTe₂的 (00l) 面衍射峰與晶體結(jié)構(gòu)示意圖。(b)不同層數(shù)樣品的歸一化電阻與溫度曲線。(c) Deguchi-Takahashi圖，藍(lán)色虛線代表Takahashi曲線P_eff/P_s=1.4×(T_c/T_o)^-2/3。插圖為Rhodes-Wohlfarth圖，紅色曲線是巡游鐵磁體的經(jīng)驗(yàn)曲線，藍(lán)色虛線代表局域磁性。(d) 169 nm厚Fe₃GaTe₂的反?；魻栯娮?。

圖2(a)是溫度依賴的塊材Fe₃GaTe₂磁相圖，T_c以下存在一個(gè)隱藏的磁相變，可能與鐵磁、反鐵磁相互競(jìng)爭(zhēng)誘導(dǎo)的三重臨界點(diǎn)相關(guān)。圖2(b)中，T_c隨厚度降低而減小，1 nm厚度Fe₃GaTe₂的T_c為200 K，這是已報(bào)道二維極限下鐵磁化合物最高的本征T_c。同時(shí)，樣品厚度的降低導(dǎo)致T_c1持續(xù)上升，T_c2基本保持不變。在10 nm左右時(shí)，T_c1與T_c2相等，表明矯頑場(chǎng)附近的反磁化形核導(dǎo)致整個(gè)樣品的磁化翻轉(zhuǎn)。

圖2 (a) 基于標(biāo)度分析得到的Fe₃GaTe₂?沿c軸的磁相圖。(b) 溫度-厚度的電子相圖?！癋ull Inverted Magnetization”代表Fe₃GaTe₂中表現(xiàn)出方形滯的磁相；“Partial Inversion”代表在磁化翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中表現(xiàn)出突然“跳躍”的相，T_c1與T_c2分別代表磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程的轉(zhuǎn)變溫度與鐵磁順-磁相變溫度。

該工作系統(tǒng)研究了Fe₃GaTe₂磁相變與溫度和樣品厚度的依賴關(guān)系，確認(rèn)其為首個(gè)具有長(zhǎng)程交換作用的三維Ising鐵磁體，為二維鐵磁半導(dǎo)體的研究提供了參考。以上成果以“High-T_c?Ferromagnetic Semiconductor in Thinned 3D Ising Ferromagnetic Metal Fe₃GaTe₂”為題發(fā)表在Nano Lett. 24, 993-1000 (2024)，該工作得到了北京自然科學(xué)基金(220005)的支持。

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準(zhǔn)二維鐵磁化合物Fe?GaTe??的物性研究

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