范德瓦爾斯(vdW)鐵磁材料FenGeTe2 (n = 3, 4, 5) 及Fe3GaTe2具有可調(diào)的近室溫的居里溫度TC以及可控的斯格明子等特性，在磁存儲等自旋電子學(xué)應(yīng)用方面前景廣闊。研究表明，該體系的TC與其Fe位密切相關(guān)，因此，深入理解Fe位在磁交換模型中的作用具有重要意義。原子替代是研究量子材料物理性質(zhì)的有效手段，曾在超導(dǎo)序參量對稱性研究中扮演過重要角色。近期，對FenGeTe2的原子替代研究表明，用Co或Ni替代Fe會抑制Fe3GeTe2的磁性，但Ni替代Fe甚至可以將Fe5GeTe2的TC提高至~ 480 K，而Co替代導(dǎo)致反鐵磁態(tài)。而在Fe3GaTe2中，少量Co或Ni替代顯著抑制TC。這些復(fù)雜的替代現(xiàn)象背后機(jī)制撲朔迷離。以下幾個問題亟待澄清：雜質(zhì)原子是否替代了Fe? 雜質(zhì)原子替代了哪個Fe位？如雜質(zhì)原子替代了不同F(xiàn)e位，其順序如何？
 

　　近日，上海科技大學(xué)拓?fù)湮锢韺嶒炇夜G峰課題組與合作者對Ni摻雜vdW鐵磁材料Fe3GaTe2進(jìn)行了詳細(xì)研究，揭示了Ni原子替代Fe原子的路徑圖及對體系磁性的影響。該成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《納米快報》(Nano Letters)。
 

　　六方晶系vdW鐵磁材料Fe3GaTe2具有高達(dá) ~ 380 K的TC，是目前該體系中最高的。它與Ni3GaTe2具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，包括相同的Fe1/Ni1和Fe2/Ni2原子占位，但Ni3GaTe2中Ni原子在vdW層間亦有分布，形成原子占有率為0.25的Ni3位，同時導(dǎo)致Ni1位的原子占有率僅為0.75。郭艷峰課題組對Fe3GaTe2進(jìn)行Ni替代Fe的摻雜研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ni摻雜增加，(Fe1-xNix)3GaTe2的磁有序溫度與飽和磁化強(qiáng)度都先出現(xiàn)迅速減弱，隨后減弱趨于平緩。為了厘清 (Fe1-xNix)3GaTe2(x = 0.0 - 1.0)中Ni原子替代Fe原子的詳細(xì)情況，郭艷峰課題組與華東師大楊振中、屈可教授課題組合作，利用球差電鏡對(Fe1-xNix)3GaTe2原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致研究。研究揭示，在低摻雜(x < 0.1)情況下，Ni首先進(jìn)入vdW層間間隙，形成占據(jù)為0.25的Ni3位(圖2)。繼續(xù)增加Ni摻雜量，Ni開始占據(jù)Fe2位。當(dāng)x > 0.75時，Ni開始占據(jù)Fe1位，直至完全占據(jù)，成為Ni3GaTe2。理論計算結(jié)果表明，在Ni3位占據(jù)0.25，即x = 0.083(1/12)以后，繼續(xù)增加Ni，則Ni原子占據(jù)Fe2位時的總能量最低，進(jìn)一步證明Ni原子第二步占據(jù)Fe2位，與電鏡結(jié)果相符(圖3)。
 

　　圖1. a.和b. Fe3GaTe2及Ni3GaTe2的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；c. (Fe1-xNix)3GaTe2的TC及2K溫度下飽和磁化強(qiáng)度隨Ni摻雜含量x的變化情況。

 

　　圖2. a-b. x = 0.05, 0.36在高角環(huán)形暗場像下的原子結(jié)構(gòu)圖；c-d. x = 0.05, 0.36在明場像下的原子結(jié)構(gòu)圖；e-f. x = 0.36樣品Ni和Fe的EDS圖；g-h. x = 0.36樣品Ni和Fe水平和垂直方向線掃強(qiáng)度分布圖。

 

　　圖3. a-c. x = 1/8時Ni進(jìn)一步占據(jù)Ni3位，F(xiàn)e1位與Fe2位時的結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的能量(注：最低能量的結(jié)構(gòu)設(shè)為零能點以便對比)；d. 不同摻雜濃度下2K時的磁化強(qiáng)度形狀。

 

　　理論計算表明，Ni取代使能帶的色散性減弱，并且雜質(zhì)能帶減少了巡游磁性。在Ni取代過程中，產(chǎn)生的Fe空位引發(fā)了局域磁性，從而增強(qiáng)了關(guān)聯(lián)效應(yīng)。因此，(Fe1-xNix)3GaTe2由于Ni摻雜引起的Fe空位同時具有局域磁性和巡游磁性。在Ni取代的第一步，即當(dāng)Ni形成層間Ni3位時，每個Ni原子的磁矩減少了約4.1 μB，表明取代的Ni原子顯著削弱了巡游磁性。在第二步中，取代的Ni原子占據(jù)Fe2位，每個Ni原子的磁矩減少了2.5 μB。因此與第一步相比，鐵磁的抑制較為平緩，因為(Fe/Ni)2位仍然保留了巡游電子的導(dǎo)電通道，這與磁化測量結(jié)果一致。此外，F(xiàn)e空位對鐵磁交換有顯著影響。當(dāng)x = 1/24時，假設(shè)在沒有Fe空位的層中，取代的Ni原子將Ni原子附近Fe2位點之間的鐵磁交換相互作用從26 meV降低到17.9 meV。當(dāng)層中存在Fe空位時，F(xiàn)e空位顯著影響了其他磁性位點之間的交換相互作用。例如，空位附近的Fe1和Fe2之間的交換積分增加到13.1~20.8 meV，遠(yuǎn)大于Fe3GaTe2中的8.8 meV。因此，F(xiàn)e空位和Ni摻雜同時導(dǎo)致了(Fe23/24Ni1/24)3GaTe2中的不均勻性，并顯著影響了磁交換作用。
 

　　該研究結(jié)合實驗測量及理論計算，直觀地給出了Fe3GaTe2中Ni取代Fe的Ni3→Fe2→Fe1三步替代路徑圖，不僅為Fe3GaTe2不同F(xiàn)e位在其磁交換中的作用提供了清晰的理解，也為未來其它量子材料的雜質(zhì)替代研究奠定了范式。
 

　　上海科技大學(xué)為該研究成果第一完成單位，上科大郭艷峰課題組博士生袁健、侯驍飛，碩士研究生張濱朔，華東師范大學(xué)碩士研究生王號南為論文共同第一作者，湖南大學(xué)張世豪教授、南開大學(xué)付學(xué)文教授、華東師范大學(xué)屈可教授和上海科技大學(xué)郭艷峰教授為共同通訊作者。上科大拓?fù)湮锢韺嶒炇谊愑盍纸淌凇⒋罂茖W(xué)中心柳學(xué)榕教授對本工作提出了寶貴建議。