Ising-Type Magnetic Ordering in Atomically Thin FePS3

2차원 아이징 모형의 자기 상전이에 대한 이론적 해답이 온사거(Lars Onsager)에 의해서 1944년 이루어진 이후 지난 70여년 동안 자성체를 이용한 명확한 실험적 증명이 이루어지지 않고 있었다. 온사거 해라고 알려진 이 결과는 이차원 모델에 대한 드문 해석학적 해로서 대학원 통계역학 시간에 배우는 대표적인 이론이라는 점을 생각해 보면, 이런 중요한 결과에 대한 실험적인 증거가 없다는 것은 매우 놀라운 일이다.
이번 연구는 완전한 2차원 아이징 모형 상전이를 실험적으로 구현하고, 단분자층의 자기성질을 측정함으로써 이루어졌다. 본 연구진은 반강자성 물질인 철 삼황화린(FePS3)의 단분자층에서 라만 분광학 실험을 하는 방법으로 접근했다. 연구진은 FePS3의 라만 봉우리 변화를 온도에 따라 측정해, 단분자층에서도 자기 상전이가 존재한다는 증거를 세계 최초로 관측하였다. 이번 연구는 서강대학교 정현식 교수 그룹과 공동연구로 이루어졌다.

Magnetism in two-dimensional materials is not only of fundamental scientific interest but also a promising candidate for numerous applications. However, studies so far, especially the experimental ones, have been mostly limited to the magnetism arising from defects, vacancies, edges, or chemical dopants which are all extrinsic effects. Here, we report on the observation ofintrinsic antiferromagnetic ordering in the two dimensional limit. By monitoring the Raman peaks that arise from zone folding due to antiferromagnetic ordering at the transition temperature, we demonstrate that FePS3 exhibits an Ising-type antiferromagnetic ordering down to the monolayer limit, in good agreement with the Onsager solution for two-dimensional order−disorder transition. The transition temperature remains almost independent of the thickness from bulk to the monolayer limit with TN∼118 K, indicating that the weak interlayer interaction has little effect on the antiferromagnetic ordering.

참여 연구원: 이성민, 류지훈, 강순민, 김태윤, 김필광, 박철환, 박제근

Nano Letters 온라인 게재
doi:10.1021/acs.nanolett.6b03052

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03052