www.mgm4858.com:中国科学和技术高校二维磁性非晶态半导体质感研商获进展

最近我校物理学院吴兴龙教授课题组在半导体β-FeSi2纳米晶强室温铁磁性研究方面取得重要进展。研究成果”Strong
Facet-Induced and Light-Controlled Room-Temperature Ferromagnetism in
Semiconducting β‑FeSi2 Nanocubes”2015年8月24日在线发表于J. Am. Chem.
Soc.(

中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员闫文盛、孙治湖和刘庆华组成的研究小组在教授韦世强的带领下,利用同步辐射软X射线吸收谱学技术,在研究二维超薄MoS2半导体磁性材料的结构、形貌和性能调控中取得重要进展。该研究成果发表在《美国化学会志》上。

半导体材料利于实现自旋器件的集成制造,因此建立在半导体材料基础上的自旋电子学一直是当前研究的热点,其主要目标之一是探索强、室温的磁性半导体材料。对于掺杂的
Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体,其居里温度低于室温,而对于宽禁带磁性半导体,一些报道表明其居里温度可高于室温。但磁性杂质的固溶度低,仅展示较弱的磁性,且结果的重复性差,磁性机制不确定。因此获得具有强、稳定的室温铁磁性半导体材料具有重要的学术和应用价值,也成为了当前面临的一大挑战。

www.mgm4858.com,二维超薄半导体纳米片具有宏观上的超薄性、透明性、柔韧性和微观上优异的电学、磁学和光学性能,是实现自旋电子器件微型化和功能最大化、制备大面积和高质量的纳米自旋电子器件等领域极具发展潜力的材料。在众多二维超薄半导体纳米片中,MoS2纳米片具有类似于石墨烯的高载流子迁移率、可调的载流子类型以及高开/关比等优异的电学性质而引起了人们极大的研究兴趣,但它们的本征非铁磁性限制了它们在自旋电子器件中的实际应用,因此如何赋予MoS2二维超薄半导体纳米室温铁磁性,成为一个具有学术和应用研究两方面重要价值的科学问题。

β-FeSi2作为一种环境友好的半导体材料,在光电和光伏应用方面已经吸引了广泛的研究兴趣。近期研究表明,不同形貌的β-FeSi2磁性也有显著的差异。这个工作中,吴兴龙教授课题组通过简单的一步化学气相沉积法,合成了具有两个{100}面和四个{011}侧面的β-FeSi2纳米立方体颗粒。实验测量表明,该立方体颗粒具有高达15emu/g的饱和磁化强度以及大约800K的居里温度,谱学分析显示了该材料不包含杂质相,因此,成功实现了强、室温铁磁性半导体材料的合成。进一步的磁性测量显示了磁性来源于β-FeSi2相,且和晶面取向及颗粒尺寸有明显的依赖关系。第一性原理计算,确定了{100}和{011}两组晶面的自旋组态,显示了表面铁原子具有较大的磁矩并呈现出铁磁排列,这些特定的表面在费米能级附近引入了自旋向下的部分占据带以及自旋向上的空带,表面铁原子层附近的局域磁矩与表面态巡游电子的相互作用是强铁磁性的起源。此外,β-FeSi2颗粒的磁性对光有灵敏的响应,光照能够有效地改变磁性,这为材料在自旋电子学方面的应用提供了更多的可能。

该研究组基于常温下具有三角棱柱配位环境的MoS2中Mo原子磁矩为零,而八面体配位的MoS2中Mo原子具有非零磁矩的物理事实,提出可以通过在2H相的MoS2
中通过相掺杂引入1T相MoS2来诱导室温铁磁性的设想。实验上,他们通过两步合成法,在2H相的MoS2纳米片中引入硫空位,它能将周围呈八面体配位的Mo原子转变为三角棱柱的配位,从而实现将1T相的MoS2掺杂到2H相的MoS2纳米片中。通过这一相掺杂方式,改变了Mo离子中3d电子轨道的占据特征,实现了MoS2超薄纳米片的室温铁磁性,居里温度为395K,饱和磁化强度为0.25mB/Mo。软X射线吸收谱学和第一性原理计算表明1T相中的Mo离子在费米面附近引入的间隙态是导致MoS2半导体纳米薄片具有高居里温度的根本原因。

立方体形貌β-FeSi2展示的磁性特性为其他非磁半导体材料,通过暴露特定晶面从而引入磁性提供了有益启示,该材料集表面铁磁性、半导体性以及自旋极化特性于一身,是开发半导体自旋电子器件的上选材料,对半导体自旋电子学的应用发展具有很好的促进作用。该工作得到了科技部“973”项目和国家自然科学基金支持。

这个研究工作丰富了人们在二维磁性材料的形貌、微结构、性质之间相互依赖性的认识,提供了一个通过相掺杂引入磁矩进而调控二维薄片磁学性质的新方法。审稿人认为,寻找室温磁性材料一直是一个亟需解决并面临重大挑战的问题。毫无疑问,这个研究在该方向取得了显著进展,获得了非常有趣的研究结果。

图1 立方体形貌的b-FeSi2颗粒和形貌及尺寸依赖的室温强的铁磁性

该项研究得到国家自然科学基金重点项目和科技部973项目等基金的资助。

图2 室温下立方体形貌b-FeSi2颗粒光照前后的M-H曲线

(物理学院沈剑沧 科学技术处)

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