中科院半導體所魏鐘鳴Nat. Commun. : 二維鐵摻雜二硫化硒磁性半導體

【引言】

二維層狀過渡金屬硫化物(TMDs)是一類非常具有前景的功能材料，如：MoS₂、WS₂和SnS₂等。通過摻雜、應力和化學修飾等方法可以讓該類材料具有獨特的光學和電學性能。將鐵磁性原子（Mn、Fe、Co、Ni）摻雜到TMDs中可以獲得在自旋電子學中具有前景的磁性半導體材料。至今，已經有報道利用化學氣相沉積法將Co和Mn摻雜到MoS₂納米片中，獲得具有磁性的二維半導體材料。然而，對于高質量磁性二維半導體材料的磁性特性和光電特性的研究卻仍然匱乏。最近，在Nature上發表的兩篇磁性二維材料的相關論文（Prof. Xiang Zhang et al. Nature 2017, 546, 265-269.?; Prof. Xiaodong Xu et al. Nature 2017, 546, 270-273. ），揭示了磁性二維材料的巨大應用潛力。

【成果簡介】

近日，中國科學院半導體研究所的魏鐘鳴研究員（通訊作者）、李京波研究員和張俊研究員等人在Nat. Commun. 上發表了一篇名為“A two-dimensional Fe-doped SnS₂ magnetic semiconductor”。該研究合成了一種高質量的鐵摻雜的二硫化錫二維材料。該材料表現出了優異的光電性能，并且表現出垂直各向異性的鐵磁行為。

【圖文簡介】

圖1：Fe摻雜SnS₂薄片的表征

(a). Fe摻雜SnS₂薄片的光學顯微照片；

(b-c). Fe摻雜SnS₂薄片和SnS₂薄片的AFM圖和拉曼譜；

(d). SnS₂的原子結構；

(e). Fe摻雜SnS₂薄片低分辨率HAADF-STEM圖；

(f). Fe摻雜SnS₂薄片的EDS；

(g). Fe摻雜SnS₂薄片高分辨率STEM圖；

(h). g圖中黃色區域的mapping。

圖2：單層Fe摻雜SnS₂薄片的電學和光響應表征

(a-b). 單層Fe摻雜SnS₂器件的傳輸特性和輸出特性曲線，插圖為器件的光學結構圖；

(c). 單層Fe摻雜SnS₂器件的開光響應曲線；

(d). 單層Fe摻雜SnS₂器件的光響應度與光強的關系曲線。

圖3：Fe摻雜SnS₂的磁學特性

(a-b). SnS₂和Fe摻雜SnS₂的的磁滯回線；

(c). Fe摻雜SnS₂的磁滯回線的放大圖；

(d). Fe摻雜SnS₂的磁化強度與溫度的變化關系。

圖4：單層Fe摻雜SnS₂的理論計算

(a). 單層Fe摻雜SnS₂的原子結構，紅黃藍分別代表Sn、S、Fe原子。

(b). 單層Fe摻雜SnS₂的總態密度；

(c, f). c, f分別是單層Fe-SnS₂的自旋向上和自旋向下通道；

(d). 自旋密度的空間分布；

(e). Fe-SnS2自旋的Fe 3d電子示意圖。

【小結】

? 該研究將成功鐵原子摻雜進入二硫化錫中制備出高質量的磁性二維半導體材料，該材料表現出優異的光電特性與磁學特性，并且用理論計算驗證了實驗結果。該研究制備的Fe摻雜的SnS₂在未來納米電子、磁性、光電領域都具有巨大的應用潛力。

文獻鏈接：A two-dimensional Fe-doped SnS₂ magnetic semiconductor (Nat. Commun, 2017, DOI: 0.1038/s41467-017-02077-z)

團隊介紹

李京波研究員和魏鐘鳴研究員的團隊主要圍繞低維半導體材料新奇物理性質和功能器件的研究，該團隊屬于中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室。魏鐘鳴研究員2015年入選中國科學院“百人計劃”，2016年獲得優秀青年科學基金，長期從事新型低維半導體材料的制備及其光電功能器件的研究，已經在Adv. Mater.; J. Am. Chem. Soc.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.等國際知名期刊發表論文80多篇。李京波研究員是國家杰出青年基金獲得者、中青年科技創新領軍人才和中組部“萬人計劃”入選者，一直致力于半導體摻雜機制、高性能光電材料與器件等領域的研究，在Nature、Nature Materials、PRL、JACS、Nano Lett.、Adv. Mater.等國際著名期刊發表SCI論文200余篇，被SCI引用超過八千次。該工作的合作者張俊研究員是中組部第十一批“青年千人計劃”，主要從事低維量子材料中光與物質相互作用的實驗研究，已在國際學術期刊上發表學術論文60多篇，其中在影響因子大于6的雜志上發表文章30多篇，包括1篇Nature（封面）、 2篇Nature Photonics， 7篇Nano Letters、9篇ACS Nano。

團隊在該領域的工作匯總

該團隊在新型二維半導體材料和器件方面已經取得一系列重要進展，代表性論文：

1. Xiaoting Wang, Yongtao Li, Le Huang, Xiang-Wei Jiang, Lang Jiang, Huanli Dong, Zhongming Wei,* Jingbo Li,* and Wenping Hu.* Short-Wave Near-Infrared Linear Dichroism of Two-Dimensional Germanium Selenide. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (42), 14976-14982.
2. Yan Wang, Wu-Xing Zhou, Le Huang, Congxin Xia, Li-Ming Tang, Huixiong Deng, Yongtao Li, Ke-Qiu Chen,* Jingbo Li,* and Zhongming Wei.* Light induced double 'on' state anti-ambipolar behavior and self-driven photoswitching in p-WSe₂/n-SnS₂ 2D Mater. 2017, 4 (2), 025097.
3. Bo Li, Le Huang, Guangyao Zhao, Zhongming Wei,* Huanli Dong, Wenping Hu,* Lin-Wang Wang,* and Jingbo Li.* Large-Size β-Cu₂S Nanosheets with Giant Phase Transition Temperature Lowering (120 K) Synthesized by a Novel Method of Super-Cooling Chemical-Vapor-Deposition. Mater. 2016, 28 (37), 8271-8276. (Back Cover)
4. Yongtao Li, Le Huang, Bo Li, Xiaoting Wang, Ziqi Zhou, Jingbo Li,* and Zhongming Wei.* Co-nucleus 1D/2D Heterostructures with Bi₂S₃ Nanowire and MoS₂ Monolayer: One-Step Growth and Defect-Induced Formation Mechanism. ACS Nano 2016, 10 (9), 8938-8946.
5. Le Huang, Nengjie Huo, Yan Li, Hui Chen, Juehan Yang, Zhongming Wei,* Jingbo Li,* and Shu-Shen Li. Electric-Field Tunable Band Offsets in Black Phosphorus and MoS₂ van der Waals p-n Heterostructure. Phys. Chem. Lett. 2015, 6 (13), 2483-2488.
6. Nengjie Huo, Jun Kang, Zhongming Wei, Shu-Shen Li, Jingbo Li,* and Su-Huai Wei.* Novel and Enhanced Optoelectronic Performances of Multilayer MoS₂–WS₂ Heterostructure Transistors. Funct. Mater. 2014, 24 (44), 7025-7031

相關優質文章推薦

磁性二維材料的相關優質文獻：

Prof. Xiang Zhang et al. Nature 2017, 546, 265-269.?

Prof. Xiaodong Xu et al. Nature 2017, 546, 270-273.

本文由材料人電子電工學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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