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半导体所超晶格室在二维半导体的磁性掺杂方面取得新进展

2017-12-19   


近年来,二维范德华材料例如石墨烯、二硫化钼等由于其独特的结构、物理特性和光电性能而被广泛研究。在二维材料的研究领域中,磁性二维材料具有更加丰富的物理图像,并且在未来的自旋电子学中有重要的潜在应用,而越来越受到人们的关注。掺杂是实现二维半导体能带工程的重要手段,如果在二维半导体材料中掺杂磁性原子,则这些材料可能在保持原有半导体光电特性的同时具有磁性。最近半导体所半导体超晶格国家重点实验魏钟鸣研究员和李京波研究员的科研团队,在铁掺杂二维硫化锡(Fe-SnS2)晶体的光、电和磁性研究方面取的新进展。


硫化锡(SnS2)是一种光电性能优异的二维范德华半导体材料,并且是目前报道的光电响应时间最快的二维半导体材料之一。该材料无毒、环境友好,含量较丰富而且易于制备。该研究团队通过用传统的化学气相输运法摸索生长条件,获得不同掺杂浓度的高质量的Fe-SnS2单晶,然后通过机械剥离法获得二维Fe-SnS2纳米片。扫描透射电子显微镜(STEM)结果表明,Fe原子是替位掺杂在Sn原子的位置,并且均匀分布。通过生长条件的调控,结合X射线光电子能谱(XPS)分析,可以获得一系列不同的晶体,铁的掺杂浓度分别为2.1%1.5%1.1%。单层Fe0.021Sn0.979S2的场效应晶体管测试表明该材料是n型,开关比超过106,同时迁移率为8.15 cm2V-1s-1,光响应度为206 mAW-1,显示了良好的光电性能。

单晶片磁性测试表明,SnS2是抗磁性的,Fe0.021Sn0.979S2Fe0.015Sn0.985S2具有铁磁性,而Fe0.011Sn0.989S2则显示出顺磁性。实验测得Fe0.021Sn0.979S2的居里温度为31 K。当温度为2 K,外磁场沿垂直c轴和平行c轴方向时可以获得不一样的磁性,即强烈的磁各向异性。理论计算表明Fe-SnS2的磁性来源于Fe原子与相邻S原子的反铁磁耦合,而相邻Fe原子间是铁磁耦合,这样在这种磁性原子掺杂材料中就形成了长程铁磁性。该研究表明铁掺杂硫化锡在未来的纳米电子学、磁学和光电领域有潜在的应用。

该研究成果近期发表在Nature Communications上。博士生黎博为该论文的第一作者,魏钟鸣研究员为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委优秀青年科学基金、面上项目的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02077-z


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