2D-магни́тные материа́лы, двумерные соединения с упорядоченным устойчивым магнитным полем. Толщина 2D-магнитных материалов незначительна по сравнению с длиной и шириной и составляет один или несколько атомов.

2D-магнитные материалы впервые получены в 2017 г. из слоистых соединений CrGeTe₃ и CrI₃ (Layer-dependent ... 2017. P. 270–227). Ранее 2D-магнетизм считался невозможным. Согласно теореме Мермина – Вагнера, в низкоразмерной системе не может быть спонтанной намагниченности из-за тепловых флуктуаций, препятствующих магнитному упорядочению. Если обычное магнитное вещество сделать очень тонким, оно перестанет быть магнитным. Запрет теоремы обходится за счёт магнитной анизотропии, которая может быть направлена перпендикулярно или параллельно плоскости материала.

Типы 2D-магнитных материалов

Подобные соединения можно разделить на 3 основных типа. Первый – халькогениды переходных металлов. Халькогениды ванадия V_mX_n (V₅S₈, VSe₂ и V₅Se₈) обладают ферромагнетизмом в 2D-слое, хотя ни один из их 3D-аналогов не является ферромагнетиком. Широко исследуются двумерные халькогениды хрома Cr_nX_m (CrTe₂, Cr₂Te₃, Cr₅Te₈, Cr₃Te₄, CrTe, CrSe₂ и CrSe). Они также являются ферромагнетиками. Как правило, температура Кюри двумерных ферромагнитных материалов уменьшается по мере уменьшения толщины из-за ослабления межслоевой ферромагнитной связи. В Cr₂Te₃ наблюдается аномальная зависимость температуры Кюри от толщины. При уменьшении толщины с 40,3 до 5,5 нм температура Кюри резко возрастает от 160 до 280 К, что связано с перестройкой структуры поверхности. Двумерные CrTe₂ и Cr₅Te₈ устойчивы на воздухе; CrTe₂, Cr₃Te₄ и CrTe остаются ферромагнетиками при комнатной температуре.

Второй тип двумерных соединений – галогениды переходных металлов. Например, галогениды хрома(III) (CrI₃, CrBr₃, CrCl₃). Монослой CrI₃ является ферромагнетиком с температурой Кюри 45 К. Именно на их примере был открыт двумерный ферромагнетизм.

Третий – сложные халькогениды переходных металлов на основе фосфора и оксиды. AgVP₂Se₆ толщиной 6,7 нм и монослой CrPS₄ проявляют ферромагнетизм при температурах ниже 19 и 23 К соответственно. Оксиды (например, CoFe₂O₄ или оксид цинка, легированный кобальтом) устойчивы на воздухе и обладают высокой температурой Кюри (больше 100 °C).

Управление магнитными свойствами ферромагнетиков

Управление магнитными свойствами ферромагнетиков важно для развития спинтроники. Из-за малой толщины магнитные свойства 2D-материалов легко варьировать за счёт внешнего воздействия. Это возможно, например, путём создания ионной проводимости с помощью легирования, которое генерирует дефекты в решётке. Оно смещает электронные зоны ферромагнитных материалов и дополнительно влияет на плотность состояний на уровне Ферми.

Сверхмалая толщина делает двумерные ферромагнетики более чувствительными к внешнему напряжению (по сравнению с объёмными ферромагнитными материалами), что приводит к значительному изменению ферромагнитных свойств. Например, температура Кюри четырёхслойного Fe₃GeTe₂ при напряжении 2,1 В может быть повышена до комнатной температуры, демонстрируя увеличение на 200 К.

Давление – ещё один метод улучшения магнитных свойств. Оно может изменить межслоевое разделение и уменьшить размер решётки, что приводит к образованию муаровой сверхрешётки и изменению зонной структуры.

Из-за сверхмалой толщины, деформация, прикладываемая к 2D-материалам, может быть намного больше той, которую можно приложить к объёмным материалам. По сравнению с объёмными ферромагнетиками, изменение решётки, вызванное деформацией, может приводить к бóльшим изменениям магнитной анизотропии и спин-обменной связи в двумерных ферромагнетиках.

Свет – эффективный и быстрый метод управления магнетизмом ферромагнитных соединений. 2D-материалы демонстрируют сильное взаимодействие фотонов и вещества. Лазер изменяет магнитные характеристики из-за когерентных взаимодействий между поляризацией материала и спинами. Подобные сильные взаимодействия могут быть индуцированы в двумерных ферромагнетиках лазерным облучением и существенно влияют на магнетизм.

Получение

2D-магнитные материалы получают методами механического и жидкостного расслоения, молекулярно-лучевой эпитаксии и химического осаждения из газовой фазы.

Механическое расслоение используется как лабораторный метод для слоистых соединений. В них, как, например, в графите, слои между собой связаны очень непрочно. Из-за этого, когда мы давим на карандаш, он оставляет серые линии на бумаге. Можно взять скотч, приклеить его к образцу и оторвать. Повторением этой операции добиваются того, что на ленте скотча остаётся слой вещества толщиной в один атом. Именно так А. Гейм и К. С. Новосёлов получили первое двумерное соединение – графен.

Схема механического расслоения.Схема механического расслоения.В методе молекулярно-лучевой эпитаксии высокоэнергетический источник испаряет образец, который потом осаждают на кристаллическую подложку, чаще всего кремниевую. Эта технология позволяет создавать плёнки нужной толщины, с заданной концентрацией примесей. Метод популярен для создания неслоистых двумерных материалов, например оксидов. Для его реализации необходимо дорогостоящее оборудование, создающее сверхвысокий вакуум, и сверхчистые реагенты, что усложняет использование данной технологии.

Применение

Использование 2D-магнитных материалов затруднено из-за низкой температуры Кюри, т. к. большинство из них могут быть использованы только при очень низких температурах. Также мешает неустойчивость на воздухе, неизученность ряда соединений и сложность получения в промышленных масштабах.

Двумерные магнитные гетероструктуры обладают значительным потенциалом для технологий памяти благодаря низкому рассеянию на границе раздела и сверхмалой толщине. Эксперименты с ультратонкими двумерными магнитными материалами могут способствовать углублению понимания двумерного магнетизма. Исследование 2D-магнитных материалов будет способствовать появлению спинтронных устройств, необходимых для энергонезависимой памяти и приборов, работающих на спиновой логике.