近年來，二維范德華材料例如石墨烯、二硫化鉬等由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、物理特性和光電性能而被廣泛研究。在二維材料的研究領(lǐng)域中，磁性二維材料具有更加豐富的物理圖像，并且在未來的自旋電子學(xué)中有重要的潛在應(yīng)用，而越來越受到人們的關(guān)注。摻雜是實(shí)現(xiàn)二維半導(dǎo)體能帶工程的重要手段，如果在二維半導(dǎo)體材料中摻雜磁性原子，則這些材料可能在保持原有半導(dǎo)體光電特性的同時(shí)具有磁性。最近半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)魏鐘鳴研究員和李京波研究員的科研團(tuán)隊(duì)，在鐵摻雜二維硫化錫(Fe-SnS2)晶體的光、電和磁性研究方面取得新進(jìn)展。
硫化錫(SnS2)是一種光電性能優(yōu)異的二維范德華半導(dǎo)體材料，并且是目前報(bào)道的光電響應(yīng)時(shí)間最快的二維半導(dǎo)體材料之一。該材料無毒、環(huán)境友好，含量較豐富而且易于制備。該研究團(tuán)隊(duì)通過用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相輸運(yùn)法摸索生長(zhǎng)條件，獲得不同摻雜濃度的高質(zhì)量的Fe-SnS2單晶，然后通過機(jī)械剝離法獲得二維Fe-SnS2納米片。掃描透射電子顯微鏡(STEM)結(jié)果表明，F(xiàn)e原子是替位摻雜在Sn原子的位置，并且均勻分布。通過生長(zhǎng)條件的調(diào)控，結(jié)合X射線光電子能譜(XPS)分析，可以獲得一系列不同的晶體，鐵的摻雜濃度分別為2.1%、1.5%、1.1%。單層Fe0.021Sn0.979S2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)試表明該材料是n型，開關(guān)比超過106，同時(shí)遷移率為8.15cm2V-1s-1，光響應(yīng)度為206mAW-1，顯示了良好的光電性能。
單晶片磁性測(cè)試表明，SnS2是抗磁性的，F(xiàn)e0.021Sn0.979S2和Fe0.015Sn0.985S2具有鐵磁性，而Fe0.011Sn0.989S2則顯示出順磁性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Fe0.021Sn0.979S2的居里溫度為31K。當(dāng)溫度為2K，外磁場(chǎng)沿垂直c軸和平行c軸方向時(shí)可以獲得不一樣的磁性，即強(qiáng)烈的磁各向異性。理論計(jì)算表明Fe-SnS2的磁性來源于Fe原子與相鄰S原子的反鐵磁耦合，而相鄰Fe原子間是鐵磁耦合，這樣在這種磁性原子摻雜材料中就形成了長(zhǎng)程鐵磁性。該研究表明鐵摻雜硫化錫在未來的納米電子學(xué)、磁學(xué)和光電領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。
該研究成果近期發(fā)表在NatureCommunications上。博士生黎博為該論文的第一作者，魏鐘鳴研究員為通訊作者。該工作得到中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”和國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、面上項(xiàng)目的資助。
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