北大張艷鋒Adv. Mater.：二維亞鐵磁Cr2S3半導體的可控生長和厚度依賴的導電類型轉變

【研究背景】

二維材料因其優異的電學、光學、力學和磁學性能，以及其在電子、光電子和自旋電子器件等領域的廣闊應用前景，近年來引起了人們的廣泛關注。其中，二維磁性材料由于其在二維極限下迷人的磁性能以及伴隨而來的全新應用，逐漸成為相關領域的一顆新星。值得一提的是，二維磁性材料在電子學和自旋電子學器件領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的二維磁性半導體材料大多是采用機械剝離法來制備，獲得材料的厚度和疇區尺寸均不易控制，這也嚴重地限制了二維磁性半導體材料的基礎性能研究和實際應用探索。因此，發展一種簡單普適的材料制備方法是非常必要的。此外，對于二維半導體在數字-模擬器件領域的應用，提高電子電路和邏輯電路的功能化集成是一個重要的挑戰，實現單一材料的導電類型(p/n型)轉變是其中關鍵的一步。

【成果簡介】

近日，北京大學工學院材料系張艷鋒研究員課題組在二維磁性半導體材料的可控制備和電學性能研究方面取得了重要研究進展。

他們以混合的NaCl和金屬Cr粉末作為金屬前驅體，通過化學氣相沉積(CVD)方法成功合成了厚度可調（1.9 nm至數十納米）的菱方Cr₂S₃納米片。該合成過程的關鍵因素可歸納如下：i）使用混合的NaCl和Cr粉末作為金屬前驅體可確保適度的Cr前驅體供應；ii）具有原子級平整和惰性表面的云母基底有利于范德華外延生長超薄Cr₂S₃納米片；iii）通過對生長溫度的精確調控，實現了對成核密度、疇區尺寸和厚度的精確控制。特別是，通過對不同厚度Cr₂S₃納米片電學性質的研究，揭示了Cr₂S₃納米片層厚依賴的導電類型轉變。即隨Cr₂S₃納米片厚度的增加，導電類型從p型過渡到雙極性，再過渡到n型。該研究對二維磁性材料的層厚控制合成，其磁性能的研究以及其在電子器件領域的應用具有重要意義。

【圖文導讀】

圖一、超薄Cr₂S₃納米片的制備過程及表征

圖二、Cr₂S₃納米片的原子結構分析

圖三、Cr₂S₃納米片的層厚控制生長

圖四、Cr₂S₃-FETs的厚度依賴電學性質

圖五、Cr₂S₃納米片的面內磁性

該研究近日以題為“Controlled Growth and Thickness-Dependent Conduction Type Transition of 2D Ferrimagnetic Cr₂S₃ Semiconductors”發表在知名期刊Advanced Material雜志上，文章的第一作者是北京大學博士生崔芳芳、新加坡國立大學博士后趙曉旭，通訊作者是北京大學張艷鋒研究員。該研究得到了國家重大研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金項目的大力支持。

文獻鏈接：Controlled Growth and Thickness-Dependent ConductionType Transition of 2D Ferrimagnetic Cr2S3 Semiconductors (Adv. Mater. 2019, 1905896; DOI: 10.1002/adma.201905896)

【課題組介紹】

張艷鋒，北京大學工學院研究員，主要從事石墨烯等二維層狀材料的可控制備、精密表征和應用探索，在二維量子薄膜、二維層狀材料（石墨烯、氮化硼、單層過渡族金屬硫屬化合物）及其異質結構的可控制備/構筑、精密表征和新奇物理化學特性等方面取得了系列創新性成果。

近五年來，作為課題負責人主持了國家重點研發計劃，國家自然科學基金重大項目子課題、面上項目等多項科研項目。迄今在Science、Advanced Materials, Nature Communications等期刊發表論文160余篇；在國內外學術會議上做邀請報告20余次。曾獲中國科學院杰出科技成就獎、全國百篇優秀博士學位論文、北京大學寶潔教師獎 (2015)、北京大學優秀博士學位論文指導教師 (2017) 等獎勵。2012年獲得國家優秀青年科學基金的資助，2015年入選教育部長江學者計劃“青年項目”。2019年獲得國家杰出青年科學基金的資助。

課題組主頁鏈接：https://yfzhang.pku.edu.cn/index.htm

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip.