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Stoichiometry-Controlled Structural Order and Tunable Antiferromagnetism in $\mathrm{Fe}_{x}\mathrm{NbSe_2}$ ($0.05 \le x \le 0.38$)

反铁磁性 凝聚态物理 范德瓦尔斯力 铁磁性 超晶格 顺磁性 材料科学 联轴节(管道) 基态 感应耦合 过渡金属 可重入 化学 从头算量子化学方法 转变温度 磁性 磁性结构 金属-绝缘体过渡 大气温度范围 磁畴 工作(物理)
作者
Xiaotong Xu,Bei Jiang,Runze Wang,Zhibin Qiu,Shu Guo,Baiqing Lv,Ruidan Zhong
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2512.18993
摘要

Transition metal dichalcogenides (TMDs) enable magnetic property engineering via intercalation, but stoichiometry-structure-magnetism correlations remain poorly defined for Fe-intercalated $\mathrm{NbSe_2}$. Here, we report a systematic study of $\mathrm{Fe}_{x}\mathrm{NbSe_2}$ across an extended composition range $0.05 \le x \le 0.38$, synthesized via chemical vapor transport and verified by rigorous energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) microanalysis. X-ray diffraction, magnetic, and transport measurements reveal an intrinsic correlation between Fe content, structural ordering, and magnetic ground states. With increasing $x$, the system undergoes a successive transition from paramagnetism to a spin-glass state, then to long-range antiferromagnetism (AFM), and ultimately to a reentrant spin-glass phase, with the transition temperatures exhibiting a non-monotonic dependence on Fe content. The maximum Néel temperature ($T_{\mathrm{N}}$ = $\mathrm{175K}$) and strongest AFM coupling occur at $x=0.25$, where Fe atoms form a well-ordered $2a_0 \times 2a_0 $ superlattice within van der Waals gaps. Beyond $x = 0.25$, the superlattice transforms or disorders, weakening Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactions and reducing $T_{\mathrm{N}}$ significantly. Electrical transport exhibits distinct anomalies at magnetic transition temperatures, corroborating the magnetic state evolution. Our work extends the compositional boundary of Fe-intercalated $\mathrm{NbSe_2}$, establishes precise stoichiometry-structure-magnetism correlations, and identifies structural ordering as a key tuning parameter for AFM. These findings provide a quantitative framework for engineering altermagnetic or switchable antiferromagnetic states in van der Waals materials.

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