Structural and Optical Properties of Single- and Few-Layer Magnetic Semiconductor CrPS4

 

Jinhwan Lee, Taeg Yeoung Ko, Jung Hwa Kim, Hunyoung Bark, Byunggil Kang, Soon-Gil Jung, Tuson Park, Zonghoon Lee, Sunmin Ryu*, and Changgu Lee*

 

최근 학계에서 2차원 자성체에 대한 기초연구가 시작되고 있으며 획기적인 스핀전자소자 개발을 위한 신소재로서 큰 주목을 받고 있다. 층상 자성 반도체 물질인 chromium thiophosphate (CrPS4)는 36K의 Neel temperature를 가지고 있으며 반강자성 특성을 나타낸다. 해당 연구에서는 화학증기상운반법 (chemical vapor transport)을 이용하여 결정성이 높은 CrPS4를 합성하고, 기계적 박리법을 통해 단일층부터 복층까지 분리하여 두께에 따른 광학 및 분광학적 특성을 연구하였다. 광학적 비등방성에 기인한 복굴절 현상을 이용하여 결정배향을 결정하는 방법을 제시하였고, 최초의 bulk 라만 스펙트럼과 두께에 따른 2차원 CrPS4의 라만 특성을 보고하였다. 기존에 알려진 2차원 결정과는 달리 전자 전이가 Cr3+ 이온에 국지화되어 있어서 흡수 및 광발광 특성이 두께에 큰 영향을 받지 않는다는 사실을 발견하였다. 자성원소인 크롬 (Cr)을 다른 강자성 원소인 철(Fe) 등 다양한 물질로 치환할 수 있어서 다양한 기술적 응용이 가능할 전망이며, 상온에서도 자성을 갖는 물질로 치환할 수 있다면 2차원 자성반도체로서 활용도가 높을 것이다. 해당 결과는 2017년 10월 25일 ACS Nano에 게재되었다.

 

 

 

Atomically thin 2-dimensional semiconductors exhibit diverse physical properties depending on their composition, structure and thickness. Endowing magnetism in these materials will lead to discovery of novel properties and greatly expand potential applications. In this work, we report structural and optical properties of atomically thin chromium thiophosphate (CrPS4), a ternary antiferromagnetic semiconductor. Its structural details were revealed by X-ray and electron diffractions. Transmission electron microscopy showed that preferentially-cleaved edges are parallel to diagonal Cr atom rows, which readily identified their crystallographic orientations. Strong in-plane optical anisotropy induced birefringence that also enabled efficient determination of crystallographic orientation using polarized microscopy. The lattice vibrations were probed by Raman spectroscopy for the first time and exhibited significant dependence on thickness of crystals exfoliated down to single layer. Optical absorption determined by reflectance contrast was dominated by d-d type transitions localized at Cr3+ ions, which was also responsible for the major photoluminescence peak at 1.31 eV. The spectral features in the absorption and emission spectra exhibited noticeable thickness-dependence and hinted a high photochemical activity for single layer CrPS4. The current structural and optical investigation will provide a firm basis for future study and application of this novel magnetic semiconductor.