Measuring AC susceptibility of van der Waals magnets using an ultrasensitive graphene Hall sensor = 초고민감 그래핀 홀 센서를 이용한 반데르발스 자성체의 교류 자기감수율 측정

국문 초록 (Abstract)

자성 반데르발스(vdW) 물질은 고유한 자기 구조와 디바이스 응용
측면에서의 높은 잠재력으로 인해 응집물질물리 분야에서 중요한 연구
주제로 주목받고 있다. 이러한 물질은 약한 층간 결합으로 인해 2차원
박리가 용이하여, 벌크에서는 관찰되지 않았던 새로운 물성을 탐색할 수
있는 기회를 제공하는 동시에 고성능 집적 디바이스 제작 가능성을
제시한다. 그러나 층 수가 감소함에 따라 자기 신호가 급격히 약화되어,
마이크로미터 크기의 소형 시료는 기존의 벌크 시료 측정에 사용되는
초전도 양자 간섭 장치(SQUID)와 같은 기법으로는 측정이 매우
어렵다는 한계가 있다. 일반적으로 이러한 소형 시료의 자기 특성을
조사하기 위해 홀 효과 기반 수송 측정 또는 광학적 측정 기법이
사용되지만, 전자의 경우 시료의 전도성이 요구된다는 제약이 존재한다.
이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 그래핀 기반 자기 센서가
제시되어 왔다. 그래핀은 육각 격자 구조와 전하 중성점 인근에서의
높은 전하 이동도를 바탕으로, 절연체 시료에 대해서도 그래핀 자체의
홀 효과를 매개로 자기 응답을 측정할 수 있게 한다. 최근 초고감도
그래핀 홀 센서를 이용하여 반데르발스 강자성체 Fe3-xGeTe2의 교류
자기감수율 측정이 보고된 바 있다. 본 연구에서는 해당 결과를
재현하는 동시에, 동일한 플랫폼을 이용하여 Fe3-xGeTe2에 비해 직류
자기감수율 신호가 두 자릿수 이상 작은 반데르발스 반강자성체 FePS3
의 교류 자기감수율 또한 측정 가능함을 보이고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Magnetic van der Waals materials are of significant interest due to
their unique magnetic structures and potential for practical device
applications. Their weak interlayer van der Waals bonding facilitates
easy exfoliation to the two-dimensional (2D) limit, enabling the
observation of novel magnetic phenomena absent in the bulk and
facilitating device miniaturization for integrated, high-performance
applications. However, as the thickness decreases, the magnetic signal
strength diminishes sharply, rendering conventional bulk
magnetometry techniques, such as SQUID-based MPMS, ineffective
for micrometer-scale samples. Typically, Hall-effect transport
measurements or optical probes are employed to detect magnetism in
these systems; yet, transport measurements require electrical
conductivity, limiting their applicability.
To address this limitation, graphene-based magnetic sensors have
emerged as a promising alternative. Graphene's hexagonal honeycomb
lattice and exceptional charge mobility near the charge neutrality point
allow it to sensitively detect changes in magnetic environments,
despite not being a conventional conductor. Building on recent
successes in measuring the AC magnetic susceptibility of
ferromagnets such as Fe3-xGeTe2 using graphene Hall-bar devices,
this study reproduces those measurements on Fe3-xGeTe2 and further
demonstrates that the same platform can reliably measure the AC
magnetic susceptibility of the van der Waals antiferromagnet FePS3,
whose DC susceptibility signal is more than two orders of magnitude
smaller than that of Fe3-xGeTe2.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of figures vii
• 1 Introduction 1
• 1.1 Magnetism in van der Waals materials 1
• 1.1.1 Emergence of low-dimensional magnetism 1
• 1.1.2 Spin Hamiltonian 2
• 1.2 About graphene magnetometry 5
• 1.2.1 Basic concept of graphene magnetometry 5
• 1.2.2 Advantages of graphene magnetometry 8
• 1.3 Outline of thesis 9
• 2 Theoretical background 12
• 2.1 Electrical properties of graphene 12
• 2.1.1 Hamiltonian and band structure of graphene 12
• 2.1.2 Electrical parameters in graphene 17
• 2.2 Sensitivity 19
• 2.2.1 Spectral density and sensitivity 19
• 2.2.2 Origins of noise 21
• 2.3 AC susceptibility 23
• 2.3.1 Lock–in measurement for AC susceptibility 23
• 2.3.2 Conversion coefficient 25
• 3 Experimental methods 28
• 3.1 Single crystal synthesis & characterization 28
• 3.1.1 Chemical vapor transport (CVT) 28
• 3.1.2 Chemical composition characterization via energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) 30
• 3.1.3 Single crystal structure characterization via X-ray diffraction (XRD) 32
• 3.1.4 Homogeneity inspection via Raman spectroscopy 34
• 3.2 Exfoliation & heterostructure fabrication 37
• 3.2.1 Graphene exfoliation 37
• 3.2.2 hBN exfoliation 39
• 3.2.3 Building heterostructure using dry transfer method 40
• 3.3 Electrode deposition 43
• 3.3.1 Patterning via e-beam lithography 43
• 3.3.2 Exposing graphene via XeF2 etcher 43
• 3.3.3 Depositing electrode via e-beam evaporator 44
• 3.4 Carving Hall bar structure via reactive ion etching (RIE) 45
• 3.5 Electrical transport measurement 46
• 3.5.1 DC field measurement 46
• 3.5.2 Sensitivity measurement 48
• 3.5.3 AC field measurement 49
• 4 AC susceptibility of vdW magnets 52
• 4.1 Device performance evaluation 52
• 4.1.1 Longitudinal and transverse resistance 52
• 4.1.2 Mobility 54
• 4.1.3 Sensitivity 56
• 4.2 AC susceptibility measurements 59
• 4.2.1 AC susceptibility of a vdW ferromagnet: Fe3-xGeTe2 59
• 4.2.2 AC susceptibility of a vdW antiferromagnet: FePS3 61
• 5 Conclusion 63
• 5.1 Summary 63
• 5.2 Outlook 64
• Bibliography 65
• Abstract in Korean (국문초록) 71
• Acknowledgement (감사의 글) 73