二维 (2-D) 材料的出现为探索和调节二维极限中的奇异物理性质提供了一个极好的平台，并推动了现代凝聚态物理和纳米电子器件的发展。在各种奇异的物理性质中，二维磁性是最重要的课题之一，在自旋电子学中显示出潜在的应用。近年来，研究人员发现了一系列本征二维磁性材料，如CrI 3、Fe 3 GeTe 2然而，目前已发现的二维磁性材料大多在大气中不稳定，限制了二维磁性的进一步研究和应用。因此，关键问题是如何在空气稳定的二维材料中诱导磁性。
近日，北京大学王健教授与清华大学段文辉教授、北京大学张延峰教授合作，检测了过渡金属二硫属化物PtSe 2薄片中Pt空位引起的局域磁矩，揭示了其成因和薄片-局部磁矩的厚度依赖性。题为“Magnetic Moments Induced by Atomic Vacancies in Transition Metal Dichalcogenide Flakes”的论文在线发表于Advanced Materials. 北京大学王教授、清华大学段教授和北京大学张教授为本文的通讯作者。北京大学的葛军、罗天创、清华大学的林祖章和武汉大学的石建平对这项工作做出了同等贡献(共同第一作者)。
通过化学气相沉积(CVD)生长了厚度为 8-70 nm 的PtSe 2薄片，并且通过透射电子显微镜和选区电子衍射证实了它们的高结晶质量。研究人员进一步制造了不同厚度的PtSe 2器件并研究了它们的电传输特性。在高温状态下，纵向电阻随着温度的降低而降低，这是典型的金属行为。有趣的是，随着温度的进一步降低，纵向电阻呈对数增加，然后在超低温下趋于饱和。
在低温下，当施加面内磁场时会检测到各向同性负磁阻 (NMR)。进一步分析表明，纵向阻力随温度和各向同性核磁共振的降低呈对数增加源于近藤效应。众所周知的近藤效应通常出现在掺杂有磁性杂质的非磁性金属中，这是由非磁性主体的传导电子自旋与磁性杂质之间的交换相互作用引起的。然而，表征结果表明PtSe 2薄片中没有磁性元素。
理论计算揭示了PtSe 2薄片中局部磁矩的起源。PtSe 2薄片生长过程中不可避免地会出现Pt空位缺陷。Pt 空位导致三个相邻硒原子的 p 轨道的占据自旋多数态和少数态的不对称分布，最终产生局部磁矩。令人惊讶的是，观察到的磁矩似乎与厚度有关。当薄片厚度减小时，局部磁矩变大。理论上，样品中的局部磁矩主要由样品表面的 Pt 空位贡献。随着 PtSe 2厚度的减小片状，表面与体积比增加，导致表面空位的相对比例增加。结果，每个缺陷感应的平均磁矩随着厚度的减小而增加，这与实验观察一致。这项工作为非磁性二维材料，特别是空气稳定二维材料中原子尺度的磁性调制提供了一条新途径，对自旋电子学和量子信息的发展具有潜在意义。
