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金刚石量子传感器又助新发现

作者: 发布时间:2019-06-10 浏览次数:651
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  巴塞尔大学的物理学家们***次成功地在纳米尺度上测量了原子厚度的范德瓦尔斯材料的磁性能。他们使用金刚石量子传感器来确定材料三碘化铬的单个原子层的磁化强度。此外,他们还发现了人们寻求已久的关于此材料不寻常磁性的解释。

  原子厚度的二维范德瓦尔斯材料的使用有望在科学技术的许多领域带来创新。世界各地的科学家都在不断探索将不同的单原子层堆叠起来的新方法,从而设计出具有独特、新兴特性的新材料。这些超薄的复合材料是由范德瓦尔斯结合在一起的,通常表现出不同于同一材料的大块晶体。原子厚度的范德瓦尔斯材料包括绝缘体、半导体、超导体和一些具有磁性的材料。它们在自旋电子学或超紧凑磁记忆介质中的应用前景广阔。

  到目前为止,还无法定量或在纳米尺度上确定这些磁体的强度、排列和结构。由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的Georg-H.-Endress教授Patrick Maletinsky领导的研究小组证明,在原子力显微镜中使用单电子自旋装饰的金刚石尖端非常适合于这类研究。

  这项技术***初是在巴塞尔开发的,基于单电子自旋,科学家们与日内瓦大学的研究人员合作,确定了三碘化铬(CrI3)单原子层的磁性能。因此,研究人员能够找到关于这种材料磁性的一个关键科学问题的答案。作为三维的块状晶体,三碘化铬是完全磁性有序的。然而,在原子层很少的情况下,只有具有奇数原子层的叠层显示出非零磁化。具有偶数层的叠层表现出反铁磁性;即它们没有被磁化。这种“偶数/奇数效应”的原因和散装材料的差异以前是未知的。

  Maletinsky的团队能够证明这种现象是由于特定的原子层排列。在样品制备过程中,单个的三碘化铬层之间会轻微地相互移动。晶格中产生的应变意味着连续层的自旋不能沿同一方向排列;相反,自旋方向在层中交替。当层数为偶数时,层的磁化强度相互抵消;在奇数情况下,所测磁化强度与单层的强度相对应。

  然而,当堆叠中的应变被释放时,例如,通过刺穿样品——所有层的自旋可以在相同的方向上对准,如在块状晶体中也观察到的那样。然后整个叠层的磁场强度与各层的总和一致。因此,巴塞尔科学家所做的工作不仅回答了关于二维范德瓦尔斯磁体的关键问题,这也为他们的创新量子传感器在未来如何被用于研究二维磁铁,从而为新型电子元件的发展做出贡献打开了前景。

  金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有***高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等,如下表。虽然天然金刚石具有这些***的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地***了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。


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