Magnetic properties of magnetic van der Waals materials and their heterostructure

Abstract

The history of magnetism is long and rich, stretching over many decades. Since the invention of south pointer by lodestone almost a thousand years ago, magnetism has played a crucial role even in human history. Furthermore, understanding the magnetic properties of materials and their application methods has been continuously improving over the years. Among them, research on two-dimensional magnetism has occupied a vital position in recent research. From 2016, attempts to understand the mechanism of two-dimensional quantum magnetic phenomena has begun through magnetic van der Waals materials. The main reason for such trends is that the magnetic van der Waals can act as an ideal platform for understanding two-dimensional magnetism. Since it is possible to isolate magnetic Van der Waals materials into natural two-dimensional materials, experimental verification of the two-dimensional magnetic theory could be unveiled. However, the very young field of magnetic van der Waals materials still has a lot to overcome. First of all, one still needs new compounds belonging to the magnetic van der Waals materials family. The expandability of the field requires the discovery of materials with miscellaneous properties. In addition, the discovery of a ferromagnetic material having air stability is urgent. The air instability of the material will give a severe handicap to applying the magnetic van der Waals field. Finally, the fabrication of heterostructure for the combination of various materials is extraordinarily time-consuming and challenging. The main question of my thesis is how to overcome the limitations inherent in magnetic van der Waals materials. Therefore, a deeper understanding of the current situation and my effort to improve it were introduced throughout the thesis. First of all, the ferromagnetic van der Waals material, VI3, was first synthesized, and its physical properties were analyzed. I found that VI3 has an unusually large coercive field, 9.1 kOe at 2 K, i.e., a hard ferromagnet. The physical origin of such hard-ferromagnetic property was originated from the open t2g shell of V3+ atoms, showing the orbital magnetism. Furthermore, the layer-dependent magnetism of anti-ferromagnetic CrPS4 was also introduced. The monolayer of CrPS4 shows the ferromagnetic behavior, and the modulation of magnetic properties was shown in the odd-even layer numbered CrPS4. More importantly, the CrPS4 monolayer shows extreme air-stability. Finally, the novel fabrication method for van der Waals heterostructures was introduced. The development of the strongly adhesive pick-up technique by polycaprolactone dramatically increases the number of possible heterostructures. Furthermore, the magnetic proximity effect to superconductivity was observed. CrPS4/NbSe2/CrPS4 heterostructure shows the suppression of the superconductivity; the first observation in van der Waals heterostructures.

자기(Magnetism)의 역사는 매우 오래전으로 거슬러 올라간다. 자철석을 이용한 나침반의 발명 이래, 자기는 인류 역사에 아주 중요한 역할을 하게 되었다. 또한, 지금까지 물질의 자성에 관한 이해와 그 응용은 해가 거듭될수록 발전해오고 있다. 그 중에서도, 최근 진행되는 연구에서는 2차원 자성에 관한 연구가 매우 중요한 위치를 차지하게 되었다. 2016년부터는 자성 반데르발스 물질을 통하여 2차원 양자자성현상의 메커니즘을 이해하려는 시도가 시작되었다. 이러한 흐름의 주요한 이유로는 자성 반데르발스 물질은 2차원 자성을 이해하는데 이상적인 플랫폼으로 이용될 수 있기 때문이다. 자성 반데르발스 물질은 진정한 2차원 물질로 분리하는 것이 가능하기 때문에, 이를 통해 2차원 자성 이론에 관한 실험적 검증이 시작될 수 있었다. 그러나 신생분야인 자성 반데르발스 물질은 여러가지 극복해야 할 점들이 남아있다. 먼저, 아직까지는 자성 반데르발스 물질군에 포함된 물질의 수가 매우 적다. 이 분야가 발전하고 확장되기 위해서는 다양한 특성을 갖는 물질의 발견이 필요하다. 또한, 공기 안정성을 갖는 강자성체의 발견이 시급하다. 현재까지 알려진 강자성 반데르발스 물질의 공기 불안정성은 자성 반데르발스 물질을 통한 응용연구의 발전에 큰 장애이다. 마지막으로, 다양한 물질을 조합하는 이종구조체 제작은 매우 많은 시간을 요하며, 난이도가 매우 높다. 본 연구의 주요 질문은 자성 반데르발스 물질에 내재된 한계들을 어떻게 극복할 것인가에 관한 것이다. 따라서, 현재 상황에 관한 깊은 이해와 문제를 개선하려는 노력들에 관한 토의가 소개되었다. 먼저, 본 연구를 통해 새로운 강자성 반데르발스 물질인 VI3가 합성되었고, 기초 물성을 분석하였다. VI3는 2 K에서 9.1 kOe라는 매우 큰 보자력, 즉 경자성을 가짐이 확인되었다. 이러한 경자성에 대한 물리적 기원은 V3+ 원자의 열린 t2g 껍질로부터 시작되며, 또한 이로 인해 오비탈 자성을 보이게 된다. 두번째로는, 반강자성 CrPS4의 두께의존성의 관측이다. 단일층 CrPS4가 강자성을 보임이 관측되었으며, 두께를 홀수, 짝수로 조절함에 따라 자성이 조절될 수 있음을 확인하였다. 또한, 가장 중요한 것으로는, CrPS4가 공기중에서 매우 안정적으로 존재할 수 있음이 확인 되었다. 마지막으로, 새로운 반데르발스 이종구조체 제작 방법이 소개되었다. polycaprolactone을 통한 강한 접착력 기반의 제조방법은 가능한 이종구조체의 숫자를 비약적으로 증가시키게 되었다. 따라서 이러한 방법으로 새로운 조합을 시도하였고, 합성된 초전도체의 인접효과를 확인할 수 있었다. 반데르발스 이종구조체에서는 최초로, 인접한 강자성체에 의한 초전도체의 약화를 CrPS4/NbSe2/CrPS4 이종구조체를 통하여 측정하였다.