二维超薄磁性硒化铬单晶

以石墨烯、二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子晶体大家族具有丰富的材料体系、独特的结构以及新奇的光电性能而备受研究者的广泛关注。随后经历了十几年的研究和探索,二维原子晶体已经展现了丰富有趣的物理特性和巨大的应用前景。而在这个大家族中,二维磁性材料很少被报道,而在近两年开始崭露头角。当块体磁性材料减薄到二维尺度时仍展现明显的磁性特性,这将可能大大推动二维自旋电子器件以及存储器件的发展。最近,研究者们发现了几种新型二维磁性材料 CrI3 Fe3GeTe2以及CrGeTe3,在其厚度被减薄到几个纳米尺度时仍展现了独特的磁性特点,并且其居里温度具有明显的厚度依赖性。因此引发了研究者们对于二维磁性材料的极大兴趣。然而这几种二维磁性材料在大气环境中极其不稳定,从而严重抑制了人们对于其本征磁性的研究以及进一步的应用探索。因此开发稳定的、新型二维磁性材料具有着重要的意义。

国家纳米科学中心何军课题组利用常压化学气相沉积的方法实现了一种新型二维磁性材料:硒化铬(CrSe)的可控制备,并对它的结构和特性进行了详细的阐述。与二硫化钼(MoS2)为代表的二维层状材料不同,硒化铬是一种非层状材料。二维非层状材料因其丰富的材料体系以及多样的特性已备受人们的关注。而基于在二维非层状材料合成方面的研究基础,他们课题组利用化学气相沉积的方法首次在云母衬底上合成了超薄二维硒化铬,厚度可以薄到2.5纳米,单晶尺寸也可以达到150微米及以上。并且通过有效地控制生长参数可以获得连续的硒化铬薄膜。利用PMMA辅助的转移方法可以将云母上二维硒化铬完整地转移到二氧化硅衬底上,为进一步研究二维硒化铬的磁性以及加工成器件。物性测试表明,在低于280开尔文温度以下,二维硒化铬不论是在其面内方向还是面外方向均展现了显著的铁磁性,为其进一步应用奠定了重要的基础。同时,基于二维硒化铬单晶片构筑的电子器件展现了优异的导电性能以及明显的负磁阻效应。

研究者相信,此项研究将会为新型二维磁性材料的可控生长拓开了一条道路,同时也为二维磁性特性的研究以及二维磁性材料在自旋电子学上的应用提供了新的研究平台。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201900056)上。