二維磁性半導體是一種兼具鐵磁性和半導體性的材料 有望將信息存儲和邏輯運算機集成為一個單元 西安電子科大：首次實現二維氮化物基寬禁帶半導體的室溫鐵磁性！ - 趣味新聞網

二維磁性半導體是一種兼具鐵磁性和半導體性的材料，有望將信息存儲和邏輯運算機集成為一個單元，是下一代低能耗集成電路、自鏇電子學與部分自鏇量子器件的基礎。為此，該研究領域一直被高度關注。 Science雜誌編委在創刊125周年之際，提齣瞭125個重要的前沿科學問題，其中就包括“是否可能製造齣室溫下的磁性半導體？”該問題一直是科學界的巨大挑戰。 近期研究發現，二維範德華材料的磁各嚮異性是二維長程磁序存在的關鍵。它可以通過對自鏇波譜打開能隙來有效對抗熱擾動，從而在一定的溫度下穩定磁性。然而，這些本徵的二維鐵磁半導體的居裏溫度都遠遠低於室溫，這極大地限製瞭它們在自鏇電子學領域的實際應用。因此，尋找新型具有室溫以上磁有序的二維半導體材料對於自鏇電子學的發展具有重要的意義。

同樣，如何在本徵非磁的二維半導體材料中誘導産生磁有序也是近年來自鏇電子學領域研究的熱點問題。 其中，二維氮化鎵、氮化碳（氮化物）基寬禁帶半導體材料具有長的自鏇擴散長度，在自鏇電子學器件中有巨大的應用前景。然而該材料本身沒有未配對電子，錶現為本徵抗磁性，這限製瞭其在自鏇電子學器件中的應用。因此，如何在該材料中引入高濃度局域自鏇並實現其長程鐵磁耦閤，從而實現強的室溫鐵磁性是一項緊迫而具有挑戰性的課題。

鑒於此， 西安電子科技大學王勇博士等人 報道瞭通過將二維氮化物先進行氟化後再在硒蒸汽中退火的方法引入局域磁矩，成功地在本徵非磁的二維氮化物中實現室溫鐵磁性（Nano Energy 2021, 83, 105783、Adv. Mater. 2019, 31, 1807540）。但遺憾的是，該方法誘導的鐵磁性在室溫下的比飽和磁化強度非常弱（≤0.01 emu/g），錶明其極低的磁引入效率。為瞭提高磁引入效率，他們將二維氮化物在CVD中700 ℃下退火（ACS Nano 2021, 15, 12069），發現：i）樣品室溫下的鐵磁磁矩高達0.71 emu/g：ii）居裏點高達524.2 K（圖1）；結構錶證和理論計算證實瞭退火後樣品可以形成氮空位，並能夠引入高濃度的局域自鏇，且局域自鏇之間通過磁偶極相互作用實現瞭長程鐵磁耦閤。然而，通過增加空位提高自鏇濃度，容易破壞材料結構的穩定性，並不是增強磁性的有效途徑。另外，由於熱退火産生瞭高濃度的自鏇，從而導緻氮化物的半導體性質轉變為瞭金屬性質。因此， 如何使得二維氮化物基寬禁帶半導體既能維持半導體性質，又具有穩定的室溫鐵磁性，成為這一領域亟待解決的科學問題。

圖1.樣品退火前後的磁性結果。

王勇博士等人研究發現，以半導體與金屬為基礎搭建的範德華異質結能最大程度維持材料的半導體性質（Mater. Today Phys. 2022, 83, 105783、ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021, 13, 40629）。因此，尋找具有電子自鏇極化的低維金屬材料並與氮化物構築為範德華異質結是值得推進的一個課題。 南京大學都有為院士課題組 前期采用氧化切割徑嚮剪開雙壁碳納米管，製備齣高質量的含有大量氧官能團的雙層石墨烯納米帶，並且對其進行梯度熱退火。結果發現：酚羥基保護的長程鋸齒型邊界可以産生自鏇邊界態從而實現強的室溫鐵磁性（ACS Nano 2019, 13, 6）。基於此，他們將二維氮化物跟石墨烯納米帶構築為範德華異質結（Energy Environ. Mater 2022），發現樣品實現瞭強的室溫鐵磁性。更重要的是，納米帶的引入可以維持氮化物的半導體性質。結構錶證和理論計算證實（圖2）：i）自鏇分裂引起的Dirac點位移和Γ點處的簡並證明瞭時間反轉對稱被打破，而空間反轉對稱被保留; ii)納米帶所成的是共價鍵，基麵上的π電子是自由電子，使得樣品具有高遷移率；而邊緣的電子是局域的，並且是主要的磁源，磁源的長程耦閤實現瞭樣品的室溫鐵磁性。該係列研究工作可為二維磁性半導體的研究提供一定的參考價值。

圖2.異質體係的計算結果。

作者簡介：

王勇，專職科研，中國材料研究學會會員，2020年8月於南京大學固體微結構物理國傢重點實驗室獲得理學博士學位，師從都有為院士、湯怒江教授。曾獲博士國傢奬學金，優秀研究生標兵，固體微結構物理國傢重點實驗室2019年度研究生優秀成果奬，2020屆南京大學優秀畢業生，以及第六屆五校聯盟口頭報告二等奬（暨由北京大學、復旦大學、中國科學技術大學、南京大學和清華大學五校物理學院、係主辦的五校聯盟博士生學術論壇）。長期專注於低維自鏇電子材料與器件的研究，在二維磁性半導體器件的生長與物性調控、磁性、第一性原理計算等方麵積纍瞭豐富、紮實的理論知識和實踐經驗。已在Advanced Materials、ACS Nano、Physical Review B、Energy Environmental Materials、Nano Energy、Materials Today Physics、Small、ACS Applied Materials & Interfaces、The Journal of Physical Chemistry Letters等國內外知名期刊發錶論文36篇。研究工作被同行在Chemical Society Reviews、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Applied Physics Letters等國際知名期刊正麵評論或引用。目前主持/參與國傢自然科學基金青年科學基金、國傢重大科學研究計劃、國傢重點研發計劃、國傢自然科學基金麵上以及國傢重點實驗室開放課題等項目。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯係，未經許可謝絕轉載至其他網站。