清華大學深圳國際研究生院劉碧錄團隊AM：可控生長具有室溫可調鐵磁的二維鑲嵌異質結材料

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【導讀】

磁性二維材料因其新奇的磁性現象如巨磁阻效應、量子反常霍爾效應等引起科學家的廣泛關注，且在自旋電子等領域具有廣泛的應用前景，有望突破摩爾定律的瓶頸，成為下一代信息材料。然而，本征二維鐵磁材料在自然界中很少見，并且迄今為止發現的大多數二維鐵磁材料存在穩定性差、居里溫度（T_c）較低等問題，限制了對其性質和實際應用的研究。其中，2D異質結為探索新奇的物理現象和應用提供了新的可能性。

【成果掠影】

近日，清華大學深圳國際研究生院的王經緯和劉碧錄(共同通訊)等人報道了一種二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結?(MH) 的一步化學氣相沉積生長方法。所制備的異質結組分可控，且表現出穩健的室溫鐵磁性。二維?Cr₂O₃-CrN鑲嵌異質結由嵌入CrN子疇的Cr₂O₃薄片組成，其中CrN：Cr₂O₃比例在生長過程中可實現從0%到100%的連續調控，從而實現了對Cr₂O₃-CrN鑲嵌異質結的磁性 (如飽和磁化、矯頑力場)的調制。重要的是，Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結具有優異的高溫穩定性和環境穩定性，且居里溫度>400 K。二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結中的強鐵磁性可能源于晶格失配引起的界面區中的應變和特殊的O-Cr-N鍵。本研究中使用的生長方法可以實現二維異質結構磁體的結構和成分控制，從而實現對鐵磁性的調制。因此，該二維異質結不僅為研究界面磁性提供了材料平臺，還可以作為高溫自旋電子器件的新型候選材料。

【核心創新點】

1、一種生長非層狀二維異質結構的簡便方法。采用一步CVD法制備了由非層狀Cr₂O₃和CrN組成的二維異質結。

2、一種新型二維鑲嵌異質結構。與傳統的垂直超晶格二維異質結構相比，改工作制備了一種新型的二維鑲嵌異質結構，CrN域嵌入Cr₂O₃形成的基體中。鑲嵌異質結構產生大量垂直界面，其數量取決于Cr₂O₃: CrN的比例。

3、高溫下可調諧鐵磁性。二維Cr₂O₃-CrN具有較強的鐵磁性，居里溫度在400 K以上，通過調節Cr₂O₃: CrN的比例可以調節其飽和磁化和矯頑力場特性。

【論文掠影】

圖?1. 二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結示意圖。

圖?2. 二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的合成和結構表征。a) Cr₂O₃與CrN?的晶體結構示意圖。b) 雙金屬前驅體制備二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結。c) 藍寶石上生長的2D Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的光鏡圖像。d) 厚度為2 nm的二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的AFM圖像。e)?Na₂CrO₄、CrCl₃以及Na₂CrO₄和CrCl₃金屬前驅體混合物(Na₂CrO₄:CrCl₃?= 3:1)的TGA曲線。f) 二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的低倍率TEM圖像。g) 從f收集的SAED衍射圖案；紅圈和藍圈分別代表Cr₂O_3?(11?20)和CrN(2?20)晶格面。h)?f中Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的快速傅里葉變換HRTEM圖像；插圖是原始HRTEM圖像中Cr₂O₃和CrN的傅里葉變換圖

圖?3. 改變氮化時間t_N對二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結組分比的調制。a) 當t_N?= 0 min(紅色)、120 min(紫色)、240 min(藍色)時，產物中Cr和N的XPS光譜。b) t_N = 0 min(紅色)、120 min(紫色)、240 min(藍色)時產物的XRD譜圖。c) 當t_N從0 ~ 300 min變化時，生長產物的一系列拉曼光譜。d) 不同t_N值的產物中N:Cr的原子比。底部為組分比演化過程示意圖。

圖?4. 二維Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的磁性表征。a) 300 k下Cr₂O₃、CrN和Cr₂O₃?- CrN 鑲嵌異質結的SQUID表征b) 300 K下3mm × 3mm藍寶石襯底上厚度為20nm的Cr₂O₃?- CrN 鑲嵌異質結與N:Cr原子比相關的Hc和Ms c)不同溫度下Cr₂O₃?- CrN 鑲嵌異質結?(N:Cr = 0.8)的SQUID表征。d)先前報道的異質結構和Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結中T_C的比較

圖 5. 單片二維Cr₂O₃、Cr₂O₃-CrN鑲嵌異質結和CrN的 MFM 測量結果。a、b) ?MFM工作機理。c、e、g) Cr₂O₃、Cr₂O₃?- CrN 鑲嵌異質結?(N:Cr = 0.5)和CrN的AFM圖像，厚度均約為20 nm。d,?f,?h) c ,e和g中納米片的MFM結果。i)?Cr₂O₃, Cr₂O₃?- CrN MH和CrN的鐵磁性機理。白色箭頭的長度表示磁性的強度。

總結展望

由磁性二維（2D）材料因其在自旋電子等領域的應用前景而引起了廣泛的關注。其中，2D異質結為探索新奇的物理現象和應用提供了新的可能性。然而，鐵磁性的2D異質結可控生長仍然面臨巨大挑戰。本研究中，作者采用化學氣相沉積法成功制備一種新奇的2D Cr₂O₃-CrN鑲嵌異質結材料，所制備的異質結組分可控，且表現出穩健的室溫鐵磁性。重要的是，Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結具有優異的高溫穩定性和環境穩定性，且居里溫度>400 K，為未來自旋電子學的發展提供了材料基礎。

相關研究成果近期以“可調室溫鐵磁性二維?Cr₂O₃-CrN 鑲嵌異質結的生長”（Growth of Two-Dimensional Cr₂O₃-CrN Mosaic Heterostructures with Tunable Room-Temperature Ferromagnetism）為題發表在國際知名期刊《Advanced?Materials》上。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/adma.202304946