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半導體所超晶格室在二維半導體的磁性摻雜方面取得新進展

2017-12-19

近年來,二維范德華材料例如石墨烯、二硫化鉬等由于其獨特的結構、物理特性和光電性能而被廣泛研究。在二維材料的研究領域中,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中有重要的潛在應用,而越來越受到人們的關注。摻雜是實現二維半導體能帶工程的重要手段,如果在二維半導體材料中摻雜磁性原子,則這些材料可能在保持原有半導體光電特性的同時具有磁性。最近半導體所半導體超晶格國家重點實驗魏鐘鳴研究員和李京波研究員的科研團隊,在鐵摻雜二維硫化錫(Fe-SnS2)晶體的光、電和磁性研究方面取的新進展。

硫化錫(SnS2)是一種光電性能優異的二維范德華半導體材料,并且是目前報道的光電響應時間最快的二維半導體材料之一。該材料無毒、環境友好,含量較豐富而且易于制備。該研究團隊通過用傳統的化學氣相輸運法摸索生長條件,獲得不同摻雜濃度的高質量的Fe-SnS2單晶,然后通過機械剝離法獲得二維Fe-SnS2納米片。掃描透射電子顯微鏡(STEM)結果表明,Fe原子是替位摻雜在Sn原子的位置,并且均勻分布。通過生長條件的調控,結合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的場效應晶體管測試表明該材料是n型,開關比超過106,同時遷移率為8.15 cm2V-1s-1,光響應度為206 mAW-1,顯示了良好的光電性能。

單晶片磁性測試表明,SnS2是抗磁性的,Fe0.021Sn0.979S2Fe0.015Sn0.985S2具有鐵磁性,而Fe0.011Sn0.989S2則顯示出順磁性。實驗測得Fe0.021Sn0.979S2的居里溫度為31 K。當溫度為2 K,外磁場沿垂直c軸和平行c軸方向時可以獲得不一樣的磁性,即強烈的磁各向異性。理論計算表明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程鐵磁性。該研究表明鐵摻雜硫化錫在未來的納米電子學、磁學和光電領域有潛在的應用。

該研究成果近期發表在Nature Communications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。該工作得到國家自然科學基金委優秀青年科學基金、面上項目的資助。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02077-z



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