Development of Homostructure Fabrication Methods and Application for Twisted vdW Antiferromagnet NiPS3 = 2차원 동종구조체 제작 방법 개발과 twisted vdW NiPS3에서의 도메인 의존적 자성 연구

국문 초록 (Abstract)

집적도 및 차세대 소자 호환성을 포함한 차원변화에 따른 물성의 근본적 변화와 제어 가능성의 극대화는 근 20년간 반데르 발스 물질 연구의 중요성을 고체물리학계 내에서 점점 높아지게 한 이유이다. 반데르 발스 물질 연구의 진전은 점점 더 정밀하고 오염이 최소한된 적층 기술에 의존하고 있다. 본 논문에서는 기존의 습식 전사 방식에 비해 잔여물 오염을 현저히 줄이면서도 기계적으로 안정적인 픽업이 가능하고, 고온 방출 단계를 필요로 하지 않으며, 회전 각도를 결정론적으로 제어할 수 있는 새로운 polycaprolactone(PCL) 기반 tear-and-stack 기법을 개발·확립하였다. 특히 본 기법은 hexagonal boron nitride(hBN) 픽업층을 필요로 하지 않아, 최종 적층 구조의 상부에 hBN이 존재하지 않는 형태의 비틀린 반데르발스 동종 구조체 제작이 가능하다. 또한 밀리미터에서 센티미터 스케일의 대면적 플레이크에도 적용 가능하여, 대면적 비틀림 시료를 안정적으로 제작할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 본 기법은 구조적·자기적·탄성적으로 취약한 반데르발스 동종 구조체를 고신뢰도로 조립할 수 있는 실용적이고 범용적인 접근법을 제공한다.
이 기법을 바탕으로, 강한 층간 교환 상호작용과 뚜렷한 면내 자기 이방성을 지니며 층상 반데르발스 자성체 중 가장 중요한 시스템 중 하나임에도 불구하고 아직 충분히 이해되지 않은 반강자성 반데르발스 물질 NiPS3를 연구하였다. 특히 NiPS3에서 관찰되는 세 가지 지그재그 반강자성 도메인의 기원, 원자층 극한에서의 대칭성 회복 메커니즘, 그리고 비틀림이 자기적·구조적 성질에 미치는 영향은 그동안 명확히 규명되지 않았다.
본 논문의 전반부에서는 편광 분해 라만 분광과 도메인 분해 선택영역 전자회절을 결합하여, 소수층 NiPS3에서만 발생하였던 세 도메인이 형성되는 미시적 기원을 규명하였다. 그 결과, 세 도메인 중 오직 하나만이 기존의 단사정(monoclinic) 적층을 유지하는 반면, 나머지 두 도메인은 층간 트윈과 유사한 배열 또는 단사정–능면정 혼합 적층을 포함하는 대칭성이 저하된 3층 구조에서 기인함을 밝혔다. 원형 편광 라만 분광 분석을 통해 각 도메인에 고유한 진동 및 마그논 선택 규칙이 존재함을 확인하였으며, 관측된 대비는 자기적 또는 네마틱 기원이 아닌 구조적 기원임을 입증하였다. 더 나아가 자기 해밀토니언 분석을 통해, NiPS3의 비정상적으로 강한 층간 교환 상호작용이 적층이 변형될 경우 거의 축퇴되어 있던 지그재그 방향들의 에너지 차이를 유의미하게 분리시킴을 보였고, 이를 통해 도메인별 마그논 에너지 차이와 각 도메인의 높은 열적 안정성을 설명하였다.
이러한 이해를 바탕으로, 기존의 polyvinyl chloride(PVC) 기반 tear-and-stack 공정을 도메인 인지형 조립 기법으로 발전시켜, 단일 도메인 NiPS3 /NiPS3비틀린 동종 구조체를 결정론적으로 제작하는 데 최초로 성공하였다. 0°, 90°, 180°, 270°, 290°에 이르는 고각 비틀림 시퀀스 전반에 걸쳐 적용한 결과, 대부분의 비틀림 각도에서는 약한 결합 한계가 유지되며 라만 텐서의 축이 변화하지 않음을 확인하였다. 그러나 90°(270°) 정렬에서는 다수의 라만 활성 모드(M1, P2b, P6)가 약 120° 회전하는 현저한 현상이 관찰되었으며, 이는 직교 정렬에서만 나타나는 비틀림 유도 구조 재구성임을 보여준다. 이 효과는 단사정 적층 시료에서는 관찰되지 않고, 대칭성이 저하된 도메인 영역으로부터 제작된 소자에서만 나타나, 해당 재구성이 적층 레지스트리에 선택적으로 의존함을 시사한다. 또한 hBN 캡슐화를 수행할 경우 이러한 현상이 완전히 억제됨을 확인하였는데, 이는 hBN이 층간 재배열을 억제하는 고정 층으로 작용함을 의미하며, 반데르발스 적층 전반에 걸쳐 중요한 시사점을 제공한다.
마지막으로 공간 분해 라만 매핑을 통해, 이러한 재구성된 상태가 NiPS3의 본질적인 도메인 벽 폭을 훨씬 초과하는 마이크로미터 스케일로 측방향 확산됨을 확인하였다. P2b 모드의 주기성이 유지된다는 점은 자기 대칭성 붕괴 가능성을 배제하며, 대신 계면에 고정된 교환 상호작용과 마이크로미터 규모의 구조적 변형에 의해 유도된 지그재그 네엘 벡터 또는 스핀 사슬 방향의 장거리 회전을 시사한다.
종합하면, 본 논문은 (i) vdW 자성체 조립을 위한 범용적인 PCL·PVC 기반 polymer tear-and-stack 플랫폼을 개발하고, (ii) NiPS₃에서의 도메인 형성의 구조적 기원과 그 자기적 결과를 규명하였으며, (iii) 모아레 초격자가 형성되지 않는 조건에서도 비틀림에 의해 대칭성 재구성과 장거리 스핀 사슬 변조가 나타나는 고각 반강자성 트위스트로닉스의 새로운 영역을 제시한다. 이러한 결과는 대칭성 프로그래머블 반강자성 소자, 비틀림 기반 스핀 텍스처 공학, 그리고 각도 조절형 마그논 기능성 구현을 위한 새로운 연구 방향을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Progress in van der Waals (vdW) materials increasingly depends on precise and contamination-minimized stacking methods. In this work, I develop and establish a new polycaprolactone (PCL)-based tear-and-stack technique that enables mechanically stable pickup, reduced-residue transfer compared with wet-transfer approaches, and deterministic rotational control, while avoiding high-temperature release steps and harsh, solvent-intensive processing. Importantly, this method does not require an hexagonal boron nitride (hBN) pickup layer, allowing twisted vdW homostructures to be assembled in configurations where no hBN layer is placed above the final stack. In addition, the process is compatible with millimeter- to centimeter-scale flakes, enabling reliable fabrication of large-area twisted samples. Owing to these advantages, the technique provides a practical, widely applicable route to the high-fidelity assembly of structurally, magnetically, or elastically fragile vdW homostructures.
Leveraging this method, I investigate NiPS3, a prototypical antiferromagnetic vdW crystal whose strong interlayer exchange and pronounced in-plane anisotropy make it one of the most promising yet least understood systems in layered vdW magnets. Despite its central importance, the origin of its three zigzag antiferromagnetic domains, the nature of symmetry restoration in the atomic limit, and the effect of twist on its magnetic and structural properties have remained unresolved.
In the first part of this dissertation, I combine polarization-resolved Raman spectroscopy with domain-resolved selected-area electron diffraction to uncover the microscopic origin of the three domains in few-layer NiPS3. I show that only one domain preserves the conventional monoclinic stacking. At the same time, the other two arise from symmetry-reduced three-layer configurations involving interlayer-twin–like or mixed monoclinic–rhombohedral registries. Circularly polarized Raman spectroscopy reveals domain-specific vibrational and magnon selection rules, establishing that the observed contrast is fundamentally structural, rather than magnetic or nematic. A magnetic-Hamiltonian analysis further demonstrates that NiPS3’s unusually strong interlayer exchange lifts the near-degenerate zigzag orientations when stacking is modified, explaining the domain-dependent magnon energies and the robust thermal stability of each domain type.
Built on this understanding, I refine the polymer polyvinyl chloride (PVC) tear-and-stack approach into a domain-aware assembly method, enabling, for the first time, deterministic construction of mono-domain NiPS3/ NiPS3 twisted homostructures. Applying this method across the high-angle twisting sequence (0°, 90°, 180°, 270°, 290°), I find that most twist angles follow a weak-coupling limit with unchanged Raman tensor axes. However, the 90° (270°) configuration exhibits a striking ~120° rotation of multiple Raman-active modes (M1, P2b, P6), revealing a twist-induced structural reconstruction unique to the orthogonal alignment. This effect occurs only in devices built from emergent threefold-symmetric domains, not in monoclinic-stacked samples, highlighting the registry-selective nature of the reconstruction. hBN encapsulation completely suppresses the effect, demonstrating that hBN acts as a pinning layer that inhibits interlayer rearrangement—an insight of broad relevance across vdW assembly.
Finally, spatially resolved Raman mapping reveals that this reconstructed state propagates laterally over micrometer scales, far exceeding the intrinsic domain-wall width in NiPS3. The preserved P2b periodicity rules out magnetic symmetry breaking. Instead, it indicates a long-range rotation of the zigzag Néel vector or spin-chain direction, driven by pinned interfacial exchange and micrometer-scale structural strain.
Taken together, this dissertation (i) develops a new, broadly useful polymer PCL, PVC tear-and-stack platform for vdW magnet assembly, (ii) clarifies the structural origin and magnetic consequences of domain formation in NiPS3, and (iii) reveals a previously unrecognized regime of large-angle antiferromagnetic twistronics, where twist-induced symmetry reconstruction and long-range spin-chain modulation emerge even in the absence of moiré superlattices. These results open new pathways for symmetry-programmable AFM devices, twist-engineered spin textures, and angle-tunable magnonic functionalities in vdW magnets.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Two-dimensional (2D) magnetism 1
• 1.1.1 Overview of 2D magnetism 1
• 1.1.2 Spin Hamiltonian of 2D magnetic materials 3
• 1.2 Structure of vdW magnets 5
• 1.3 vdW structure transfer method 8
• 1.4 Outline of this thesis 9
• 2 Experimental techniques 14
• 2.1 Sample preparation 14
• 2.1.1 vdW material synthesis 14
• 2.1.2 Bulk property analysis 15
• 2.1.3 Mechanical exfoliation of the vdW material 17
• 2.2 Electrical transport 18
• 2.3 Raman spectroscopy 21
• 3 New transfer method for homostructure fabrication 24
• 3.1 Introduction 24
• 3.2 Experimental procedure of the PCL-based transfer method 28
• 3.3 Experimental verification of the PCL-based method: AFM and STEM 36
• 3.4 Optical characterization of twisted MoS2: moiré phonons 40
• 3.5 Transport measurements of twisted NbSe2 vertical Josephson junctions 43
• 3.6 Scalability of the PCL-based method: From millimeter to centimeter-scale 46
• 3.7 Summary and outlook 50
• 4 Domain structures in NiPS3 in the atomic limit 59
• 4.1 Introduction 59
• 4.2 Linear Polarized Raman mapping of NiPS3 in the atomic limit 61
• 4.3 TEM analysis of domain-mapped NiPS3 flake 65
• 4.4 Polarized Raman analysis of domain-mapped NiPS3 flakes 72
• 4.5 Stability of the three domains within a magnetic Hamiltonian framework 78
• 4.6 Summary and outlook 83
• 5 Emergent domain-selective structure variations in twisted van der Waals antiferromagnet NiPS3 in the atomic limit 88
• 5.1 Introduction 88
• 5.2 Experimental preparation 90
• 5.2.1 NiPS3 as a twisted magnet platform 90
• 5.2.2 Domain-aware fabrication of twisted NiPS3 91
• 5.3 Experimental results 92
• 5.3.1 Trivial cases of twisted NiPS3 92
• 5.3.2 Non-trivial cases of twisted NiPS3 97
• 5.3.3 Local Response Beyond the Twist Interface 103
• 5.4 Summary 107
• 6 Summary and Outlook 113
• 6.1 Summary 113
• 6.2 Outlook 114
• Publication lists 117
• 국문초록 120
• Acknowledgement(감사의 글) 124