10纳米外延CrSb薄膜中交替磁性能带分裂的突破性研究及其自旋电子学应用潜力

这篇研究通过分子束外延（MBE）成功制备了10-100 nm厚度的CrSb（0001）外延薄膜，系统表征了其交替磁性（altermagnetism）特性。创新性发现包括：利用极化中子反射（PNR）证实了无净磁化的反铁磁有序，通过真空角分辨光电子能谱（ARPES）首次在10 nm极限厚度下观测到高达0.7 eV的g波对称三维动量依赖能带分裂，为自旋输运应用提供了关键厚度下限。该工作为开发基于交替磁体的新型自旋电子器件奠定了材料基础。

　　

交替磁性材料CrSb的薄膜极限探索

1 引言

交替磁性（altermagnetism）作为新型共线反铁磁材料家族，其非相对论起源的动量依赖自旋分裂能带结构源于自旋群对称性保护的晶体结构。CrSb因其费米能级附近大自旋分裂（1.2 eV）和高Néel温度（T_N≈700 K）成为最具应用潜力的候选材料。本研究通过分子束外延（MBE）技术，首次系统探索了CrSb薄膜在10 nm厚度极限下的交替磁性能带特性。

2 结果与讨论

2.1 CrSb外延薄膜的生长与表征

在SrTiO₃(111)衬底上，采用2 nm Sb₂Te₃缓冲层实现了高质量CrSb(0001)外延生长。反射高能电子衍射（RHEED）显示清晰的衍射条纹（图1b），X射线衍射（XRD）测得晶格常数a=4.075 ?，c=5.508 ?，证实为NiAs相结构。原子分辨率HAADF-STEM（图1e）显示原子级平整界面，元素分布证实Cr:Sb化学计量比为1:1。极化中子反射（PNR）深度剖面（图1f）揭示CrSb层内ρ_M与零无统计学差异，确证了反铁磁有序。

2.2 能带结构特征

同步辐射ARPES在10 K下观测到：

• 80 eV光子能量对应动量点显示700 meV自旋分裂（图2d）

• Γ-A方向光子能量扫描证实三维动量依赖分裂（图2e-f）

室温He灯ARPES进一步揭示：

• K-Γ-K方向节点平面无分裂（图3a）

• P-Γ-P方向350 meV分裂（图3b）

• M-Γ-M方向500 meV分裂（图3c）

10 nm与100 nm薄膜能带结构对比（图3e）证实量子限域效应可忽略，DFT计算支持厚度>2.2 nm时体材料能带特征保持。

3 结论

本研究确立了CrSb薄膜保持交替磁性能带结构的下限厚度（10 nm），700 meV的大自旋分裂在室温下稳定存在。特别值得注意的是，g波对称性的三维动量依赖分裂特性在薄膜中完整保留，为开发基于交替磁体的自旋阀、隧道结等器件提供了关键材料平台。未来通过界面工程进一步优化5 nm以下薄膜质量，将开辟维度调控与交替磁性耦合的新研究范式。

4 实验方法

分子束外延生长采用Cr/Sb束流比1:5.8，生长速率0.04-0.2 nm/min；STEM表征使用200 keV单色化电子束；同步辐射ARPES在ALS和SSRL完成，能量分辨率6 meV；PNR测量在1 T磁场、300 K条件下进行，采用Refl1d软件进行数据分析。所有样品通过真空传输系统（<4×10^-11 Torr）保持表面本征特性。