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为解决二维磁性材料中自旋谷耦合及铁磁转变温度（TC）提升的问题，研究人员对非范德华单层 Cr2Se3/ 石墨烯体系展开研究。结果发现其具有高达 225K 的居里温度及自旋谷极化特性。该研究为实现二维高温铁磁提供新思路。
在材料科学的微观世界里，二维材料的研究正开展得如火如荼。低维过渡金属硫族化合物凭借其独特的性质，如电荷密度波、超导性、量子反常霍尔效应等，吸引了众多科研人员的目光。其中，二维磁性材料更是有望成为下一代自旋电子器件的核心材料，像磁性隧道结、自旋阀等。
然而，当前的研究面临着诸多挑战。在二维各向同性海森堡模型中，根据莫明 - 瓦格纳定理（Mermin-Wagner theorem），二维本征铁磁性是被禁止的，所以二维磁性材料的磁性只能基于少数层或单层极限下的各向异性来解释 。并且，对于范德华磁性材料，如 Cr2Ge2Te6、CrI3和 Fe3GeTe2等，存在随着厚度减小，铁磁居里温度（TC）降低的趋势。在 Cr-Te 体系中，关于 TC随厚度变化的研究结果也相互矛盾。同时，块体 Cr2S3和 Cr2Se3呈现反铁磁（AF）有序，而单层 Cr2Se3在不同衬底上会表现出不同的磁性，在半导体或绝缘衬底上为反铁磁绝缘体，在高定向热解石墨（HOPG）衬底上则变为铁磁金属，其原因至今尚未明确。此外，虽然理论上预测了自旋谷耦合在一些结构中存在，但在非范德华材料中，实验上尚未证实，且自旋谷耦合对铁磁 / 反铁磁有序温度的提升也缺乏实验证据。
为了攻克这些难题，来自日本东北大学（Tohoku University）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于非范德华材料 Cr2Se3，通过一系列实验，探究其在不同厚度下的电子态、自旋谷耦合与铁磁序的关系，旨在揭示其中的奥秘，为二维磁性材料的发展开辟新道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用分子束外延（MBE）方法在双层石墨烯 / 6H-SiC（0001）衬底上制备了单层（ML）、双层（2ML）和三层（3ML）的 Cr2Se3薄膜 。接着，运用反射高能电子衍射（RHEED）、低能电子衍射（LEED）、透射电子显微镜（TEM）、软 X 射线光电子能谱（SX）、X 射线吸收光谱（XAS）和 X 射线磁性圆二色光谱（XMCD）等技术对薄膜进行表征 。最后，使用角分辨光电子能谱（ARPES）测量不同温度下的能带结构，研究电子态的变化。
单层 Cr2Se3的制备与表征
研究人员利用分子束外延法成功制备出单层 Cr2Se3薄膜。通过 RHEED、LEED、TEM 和 SX 等技术手段，证实了薄膜为 23 相且具有高单晶性，同时 XAS 和 XMCD 测量表明该薄膜具有铁磁性。ARPES 测量显示，该薄膜的价带结构复杂，在费米能级（EF）附近存在电子口袋，是一种掺杂半导体，具有半金属性质 。通过共振 ARPES 测量，确定了观测到的能带的轨道特征，与 Cr 3d-t2g2能带和 Se 4p 态的杂化有关。
能带结构随温度的变化
研究人员测量了不同温度下的能带结构，发现当温度从 40K 升高到 150K 时，一些关键特征，如在 EB为 -2 - -2.5eV 附近的 M 形带和 Γ 点处尖锐的价带顶仍然存在 。但当温度达到 300K 时，光谱特征变得更简单，M 形带转变为 V 形带 。在 Γ 点和 K 点，随着温度升高到 TC，所有能带都向 EF移动，且一些能带在低温下会发生额外的能量分裂，在 TC附近分裂消失。研究人员认为，这种现象与铁磁转变相关的能带分裂有关，且 TC介于 225 - 250K 之间，高于之前在 HOPG 上生长的单层 Cr2Se3的估计值。
自旋谷耦合
研究人员在 40K 下对单层 Cr2Se3的 t2g+带进行测量，发现 K 点和 K’点存在圆二色性（CD） 。使用右旋和左旋圆偏振光激发时，K 点和 K’点的光电子能谱峰强度存在差异，且 t2g+带与 eg+口袋之间的 CD 符号也相反 。这表明光电子激发在 K 点和 K’点之间是不对称的，支持了谷选择性 CD，即谷极化，这是实现反常谷霍尔效应的必要条件 。此外，研究发现双层样品的 CD 总体幅度降低，说明谷选择性 CD 与铁磁性耦合。同时，单层 Cr2Se3中 eg+电子口袋的光谱权重随温度升高而降低，且 K 点和 K’点的光谱权重存在不对称性，施加面外磁场后这种不对称性增强，进一步支持了自旋谷耦合。
多层 Cr2Se3的能带结构
研究人员制备了 2ML 和 3ML 的 Cr2Se3薄膜，发现其能带相对于单层薄膜分别向上移动约 0.4eV 和 0.5eV，Cr 3t2g带显著展宽且在 Γ 点的能带分裂更大 。随着层数增加，TC逐渐降低，分别为 225 - 250K、175 - 200K 和 150 - 175K 。TC的降低与金属性 eg↑口袋在 EF处的光谱权重减少相关，这表明单层薄膜在低温下具有最高的电子载流子掺杂 。同时，2ML 和 3ML 薄膜中 eg+带在 K 点和 K’点之间的不对称强度分布减小，证实了谷各向异性与铁磁性的耦合 。研究认为，观察到的层数依赖的能带结构和铁磁 TC变化是由于石墨烯衬底的电荷转移，单层薄膜中 TC的增强可能是由于 RKKY 机制与 eg谷态中的最大载流子密度相关。
综上所述，该研究成功制备了非范德华单层 Cr2Se3/ 石墨烯体系，发现其具有高达 225K 的居里温度和自发自旋谷极化特性。通过 ARPES 等技术，详细研究了不同厚度 Cr2Se3薄膜的能带结构、自旋谷耦合与铁磁序的关系 。研究结果表明，谷载流子密度在提升 TC中起着关键作用，为在非范德华材料中实现更高温度的二维铁磁性提供了指导原则 。这一成果不仅加深了人们对二维磁性材料的理解，还为新型自旋电子器件的开发提供了理论基础和实验依据，有望推动相关领域的进一步发展。
