Imaging Domain Reversal in an Ultrathin Van der Waals Ferromagnet

凝聚态物理 范德瓦尔斯力 材料科学 铁磁性 矫顽力 成核 磁化 磁畴 居里温度 磁畴壁(磁性) 磁力显微镜 磁滞 磁场 物理 热力学 量子力学 分子
作者
David A. Broadway,Sam C. Scholten,Cheng Tan,Nikolai Dontschuk,Scott E. Lillie,Brett C. Johnson,Guolin Zheng,Zhenhai Wang,Artem R. Oganov,Shangjie Tian,Chenghe Li,Hechang Lei,Lan Wang,Lloyd C. L. Hollenberg,Jean‐Philippe Tetienne
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (39) 被引量:65
标识
DOI:10.1002/adma.202003314
摘要

The recent isolation of two-dimensional van der Waals magnetic materials has uncovered rich physics that often differs from the magnetic behaviour of their bulk counterparts. However, the microscopic details of fundamental processes such as the initial magnetization or domain reversal, which govern the magnetic hysteresis, remain largely unknown in the ultrathin limit. Here we employ a widefield nitrogen-vacancy (NV) microscope to directly image these processes in few-layer flakes of magnetic semiconductor vanadium triiodide (VI$_3$). We observe complete and abrupt switching of most flakes at fields $H_c\approx0.5-1$ T (at 5 K) independent of thickness down to two atomic layers, with no intermediate partially-reversed state. The coercive field decreases as the temperature approaches the Curie temperature ($T_c\approx50$ K), however, the switching remains abrupt. We then image the initial magnetization process, which reveals thickness-dependent domain wall depinning fields well below $H_c$. These results point to ultrathin VI$_3$ being a nucleation-type hard ferromagnet, where the coercive field is set by the anisotropy-limited domain wall nucleation field. This work illustrates the power of widefield NV microscopy to investigate magnetization processes in van der Waals ferromagnets, which could be used to elucidate the origin of the hard ferromagnetic properties of other materials and explore field- and current-driven domain wall dynamics.
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