有限量镍掺入对层状Fe?GeTe?热电势和霍尔效应的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Limited Ni Incorporation on the Thermopower and Hall Effect of Layered Fe 3GeTe 2

　　

**摘要**

Fe3GeTe2、轻度掺Ni的Fe3GeTe2以及Ni3GeTe2层状过渡金属碲化物为研究有限Ni掺入对层状范德华碲化物结构、磁性和电子输运性质影响提供了一个模型体系。本研究通过化学汽相输运法合成了这些化合物的单晶体，并使用X射线衍射、拉曼光谱、能量色散X射线光谱（EDS）和像差校正扫描透射电子显微镜对其进行了表征，结果表明所有组分均采用六方P6?/mmc结构。然而，Ni在Fe3GeTe2中的固溶范围本质上非常狭窄，EDS测量显示名义x ≤ 0.2时仅有有限的Ni掺入。此外，随着Ni含量的增加，观察到了偏离名义Ge/Te化学计量比的程度越来越大。在20至300 K之间进行了温度依赖的热电势和四探针电阻测量。Fe3GeTe2和轻度掺Ni的Fe3GeTe2在测量温度范围内均表现出负的塞贝克系数，表明电子主导输运，而Ni3GeTe2表现出热电势符号交叉，反映了电子和空穴输运的竞争贡献。所有样品均表现出金属性的电阻温度依赖性，由于声子、电子和磁振子散射机制的影响而偏离线性。霍尔效应测量显示所有样品均表现出非线性的霍尔响应。Fe3GeTe2和轻度掺Ni的Fe3GeTe2的响应与异常霍尔行为一致，但Ni3GeTe2中非线性霍尔响应的微观起源仍不确定。这些发现表明，尽管在当前的CVT生长条件下实现的Ni掺入有限，Fe3GeTe2、轻度掺Ni的Fe3GeTe2和非化学计量Ni3GeTe2之间的比较提供了对层状范德华金属体系中输运行为演化的洞察。

**引言**

二维（2D）磁性材料近年来引起了广泛关注，因为它们即使在单层极限下也能表现出本征的长程磁有序，如铁磁性或反铁磁性[1]、[2]、[3]。其降维特性提供了通过层厚度、应变、静电门控或化学取代来调节居里温度（TC）的独特机会，实现超越其体材料的磁性行为。这种可调性开辟了实现原子薄材料中高温铁磁性和自旋电子功能的途径[4]、[5]、[6]。

最近，二维（2D）范德华（vdW）磁性材料因VX2（X=S、Se）[7]、[8]、Cr2GeTe6[9]、[10]、Cr2Se3[11]、CrTe2[12]、[13]、CrI3[1]、[14]、CrBr3[15]和Fe3GeTe2[4]等化合物的发现而引起了极大兴趣。在这些材料中，Fe3GeTe2具有强的垂直磁各向异性（PMA）、相对较高的居里温度（TC）和高空气稳定性，使其成为迄今研究最多且最有前景的2D磁性材料之一[4]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。Fe3GeTe2是一种金属性巡游铁磁体，体材料形式的居里温度约为220 K。它结晶为六方结构（P63/mmc（No.194）），角度α = β = 90°，γ = 120°。这种vdW材料具有层状结构，其中Fe3Ge板层位于碲（Te）层之间。铁原子占据两个独特位置：Fe(1)原子嵌入Fe3Ge板层中，而Fe(2)原子位于板层之间，在材料的铁磁特性中发挥关键作用[20]、[22]、[23]、[24]、[25]。这种结构构型允许其轻松剥离为薄层，使Fe3GeTe2成为原子薄器件应用的有前景材料。值得注意的是，Fe3GeTe2是仅有的两种已知材料之一（另一种是CrI3），即使在单层下仍能保持铁磁有序。然而，在比较这两种磁性体系时，Fe3GeTe2具有更高的环境稳定性，更高的TC（单层为130 K），优于CrI3（单层TC为45 K），使Fe3GeTe2在自旋阀、磁隧道结和存储电路等应用中更具优势[4]。近年来还报道了该层状化合物中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）以及Neel型天空rmions，尤其是当其集成为磁性异质结构时[26]、[27]、[28]、[29]。

基于对Fe3GeTe2的广泛研究，我们在化学汽相输运（CVT）生长条件下研究了Ni向Fe3GeTe2的掺入，并将所得的轻度掺Ni晶体与Fe3GeTe2和Ni3GeTe2端元进行比较。Ni3GeTe2（即x=1）是Fe3GeTe2的结构类似物，结晶为相同的层状晶体结构，仅晶格参数略有不同。Fe3GeTe2的晶格参数为a = 3.991 ?和c = 16.33 ?，而Ni3GeTe2的数值仅略小，分别为a = 3.911 ?和c = 16.02 ?[19]。此外，Ni3GeTe2的晶体结构仅通过一个间隙部分占位的Ni3位点与Fe3GeTe2不同[19]。

然而，与Fe3GeTe2相比，Ni3GeTe2表现出非常弱的顺磁性和金属性，表明镍取代显著改变了材料内的铁磁交换相互作用。这些发现表明，通过改变Fe3GeTe2基化合物中的Fe/Ni比，可以为自旋电子学和磁存储器件的特定应用定制磁性性质[19]、[30]。

由于Ni3GeTe2是Fe3GeTe2的非磁性金属类似物，Ni向Fe3GeTe2的掺入已被探索作为研究该体系中磁性稀释效应的途径。先前的(F e1-xNi x)3GeTe2合金系列研究表明，其磁性性质随Ni含量增加而显著变化。该体系表现出强无序铁磁体的典型行为，在较高Ni浓度下，长程有序（LRO）被模糊为玻璃态相。Ni取代对Fe3GeTe2中铁磁有序的抑制效果与铁空位相当[31]。引入Ni后，Tc从x = 0时的220 K连续降低至x = 0.3时的52 K。此外，当x > 0.37时，铁磁LRO持续被模糊为玻璃态磁相，该相持续至x = 0.84[32]。M(H)数据表明，当x > 0.37时，从铁磁有序过渡到团簇玻璃态。在玻璃态样品中，可以预期由于铁磁相关性在几个原子间距范围内产生磁调制。在中等浓度（x < 0.37）下，可能也会形成中等介观有序，表现为倾斜铁磁，跨越数个晶胞。

这些研究表明，Ni掺入逐渐抑制了Fe3GeTe2的居里温度，并削弱了长程铁磁有序。因此，本研究并非追求提高居里温度，而是旨在理解有限的Ni掺入如何改变Fe3GeTe2的磁相互作用和磁输运性质。

为了更好地理解有限的Ni掺入如何影响Fe3GeTe2的磁性和磁输运性质，对其自旋输运性质进行了深入研究。我们研究了名义Ni浓度最高至x = 0.2的合成晶体，并将所得的轻度掺Ni的Fe3GeTe2与Fe3GeTe2和Ni3GeTe2端元进行比较。我们进行了温度依赖的电阻、热电势和霍尔电阻测量，这些可以揭示电子和自旋输运机制以及底层的自旋和磁态。我们观察到Fe3GeTe2和轻度掺Ni的Fe3GeTe2表现出金属性温度依赖的电阻和主要为负的热电势，而Ni3GeTe2表现出热电势交叉。此外，霍尔电阻测量显示Fe3GeTe2和轻度掺Ni的Fe3GeTe2表现出异常霍尔行为，而Ni3GeTe2在TC以上和以下均表现出非线性霍尔响应，其微观起源仍不确定。本研究为Fe3GeTe2、轻度掺Ni的Fe3GeTe2和Ni3GeTe2的磁输运特性提供了洞察，有助于更好地理解层状碲化物中的自旋依赖输运及其未来自旋电子学应用的潜力。

**分段摘要**

**合成与表征**

Fe3GeTe2、Ni3GeTe2和名义(NixFe1-x)3GeTe2（x ≤ 0.2）的块体晶体使用化学汽相输运（CVT）法合成（详见实验细节）。结构表征表明，名义(Ni xFe1?x)3GeTe2样品在当前的生长条件下实际的Ni掺入有限。随后通过机械剥离制备了类块体剥离样品。为考察其晶体结构、相纯度和元素组成

**实验细节**

Fe3GeTe2、Ni3GeTe2和轻度掺Ni的Fe3GeTe2晶体通过CVT法合成。合成反应涉及在输运剂存在下，通过化学反应将凝聚相转化为气相，随后在另一位置沉积，通常为晶体形式。对于Fe3GeTe2晶体，使用铁（99%粉末）、锗（99.999%痕量金属基准粉末）和碲（99.999%痕量金属基准）的化学计量比（摩尔比）

**结论**

总之，通过CVT法合成了Fe3GeTe2、轻度掺Ni的Fe3GeTe2和Ni3GeTe2单晶体，并使用结构、光谱和磁输运测量对其进行了系统研究。综合XRD、拉曼和EDS分析表明，尽管所有研究组分的优势相均结晶为相同的六方P6?/mmc结构，但在当前生长条件下Ni在Fe3GeTe2中的实际固溶范围很窄，有效

**关于稿件准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来协助语言编辑并提高清晰度。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对稿件最终版本承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Hansaka Weerarathne：写作 – 审阅与编辑、方法论、调查、数据整理。Zane Ronau：写作 – 审阅与编辑、方法论、调查、数据整理。Saveen Dharmasena：写作 – 审阅与编辑、方法论、调查、数据整理。Hiruni Weerahennedige：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理。Yog Karki：写作 – 审阅与编辑、可视化、方法论、

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jacek B. Jasinski报告获得了美国能源部的财务支持。Gamini Sumanasekera报告获得了美国能源部的财务支持。Hiruni Weerahennedige报告获得了美国能源部的财务支持。Steven E. Zeltmann报告获得了美国国家科学基金会的财务支持。David A.

**致谢**

本工作部分由美国能源部科学办公室基础能源科学处资助，项目编号为DE-SC0024131。本工作使用了PARADIM（界面材料加速实现、分析与发现平台）的电子显微镜设施，该平台由美国国家科学基金会支持，合作协议编号为DMR-2039380。

Hiruni Weerahennedige | Yog Karki | Huda Aljeailan | Hansaka Weerarathne | Zane Ronau | Saveen Dharmasena | Steven E. Zeltmann | David A. Muller | Gamini Sumanasekera | Jacek B. Jasinski

美国路易斯维尔大学物理与天文学系，路易斯维尔，肯塔基州40292，美国