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復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授團(tuán)隊在材料領(lǐng)域取得重大突破—發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁性二維材料

2018-10-24 11:47:47 作者：本網(wǎng)整理來源：iNature 分享至：

自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，對二維材料的研究開始進(jìn)入科學(xué)家的視野。迄今為止，科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了包括絕緣體、半導(dǎo)體、金屬等至少幾十種性質(zhì)截然不同的二維材料。日前，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系張遠(yuǎn)波教授團(tuán)隊在二維磁性材料領(lǐng)域取得重大突破——發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁性二維材料Fe3GeTe2，為研究二維巡游磁性提供了一個全新的理想體系。此外，通過鋰離子插層調(diào)控，研究團(tuán)隊在Fe3GeTe2薄層中獲得了室溫以上的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度，為未來基于這種材料研發(fā)超高密度、柵壓可調(diào)且室溫可用的磁電子學(xué)器件提供了新的可能性。

10月22日（倫敦時間），該研究以《二維鐵鍺碲中柵壓調(diào)控的室溫鐵磁性》（“Gate-tunable Room-temperature Ferromagnetism in Two-dimensional Fe3GeTe2”）為題發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授張遠(yuǎn)波為論文通訊作者，物理學(xué)系2016級博士生鄧雨君、博士后於逸駿為論文的共同第一作者。

一種新材料：新型的磁性二維材料Fe3GeTe2

伴隨著單原子層的石墨材料——石墨烯被成功分離出來，二維材料的概念被正式提出來。僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。作為二維材料的石墨烯，與之對應(yīng)的母體材料就是石墨，即二維材料依靠層間范德瓦爾斯相互作用堆積而成的層狀材料。自上世紀(jì)70年代起，層狀材料就由于電荷密度波、超導(dǎo)、鋰電池等領(lǐng)域的研究頗受關(guān)注。把層狀材料中的最小單元——一個單層——制備出來進(jìn)行研究，就好比我們打開一本書仔細(xì)研讀其中的某一頁。對于二維材料的深入研究，不僅很有可能幫助我們揭開這些層狀母體材料的謎團(tuán)，還可能使我們發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)藏于其中的不存在于三維體系中的物理。更重要的一點(diǎn)是，二維材料的所有原子都暴露在表面上，沒有被藏起來的“體”的部分，相比于三維體材料而言更容易被調(diào)控。

近幾年，磁性二維材料成為了新的研究熱點(diǎn)。最新的相關(guān)研究中，研究人員采用了絕緣的層狀磁性材料Cr2Ge2Te6和CrI3作為研究對象，利用光學(xué)的手段探測到了材料中的二維磁性。但這些材料都是絕緣的，而且鐵磁轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于室溫，在電子學(xué)器件的制備和應(yīng)用上有很大的阻礙。

在前人研究的基礎(chǔ)上，張遠(yuǎn)波團(tuán)隊采用了金屬性的層狀材料作為研究對象，經(jīng)過兩年的摸索、長達(dá)一年的不斷實驗，最終得到了一種新型的二維磁性材料Fe3GeTe2。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊實驗發(fā)現(xiàn)，單層的Fe3GeTe2在低溫下仍具有鐵磁長程序以及面外磁各向異性。更為重要的是，張遠(yuǎn)波團(tuán)隊利用他們自己發(fā)展的技術(shù)，用鋰離子插層Fe3GeTe2薄層，使得樣品的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度提高到室溫以上，為未來該材料制作電子器件提供了可能。

一種新思路：新的樣品解理方法

在二維材料領(lǐng)域里，傳統(tǒng)的膠帶解理方法是一種常用的解理層狀材料制備單層的方式。十多年來一直為學(xué)界沿用的膠帶解理法，非常有效，但是也非常簡單原始，有著難以避免的缺陷。用這種方法可以解理的材料少、解理能力有限。對于科研團(tuán)隊來說，要想得到所研究的二維磁性材料單層，甚至進(jìn)一步拓展到其他許多未知的二維材料，突破傳統(tǒng)方法探索新路徑是必由之路。

經(jīng)過艱難摸索和不斷嘗試，張遠(yuǎn)波團(tuán)隊最終發(fā)展了一種新的樣品解理方法——利用氧化鋁和Fe3GeTe2之間強(qiáng)的粘附性以及較大的接觸面積來制備單層樣品。這種方法制備效率高，解理能力強(qiáng)，還將為有效解理與Fe3GeTe2解理難度類似的其他層狀材料提供新的方法和研究思路。正是新的解理方法的發(fā)現(xiàn)，才使得科研團(tuán)隊能夠進(jìn)一步研究這種磁性二維材料的電輸運(yùn)性質(zhì)。

圖片說明：

a：單層Fe3GeTe2的原子結(jié)構(gòu)。

b：利用氧化鋁的新型機(jī)械解理法示意圖。

c：Fe3GeTe2關(guān)于厚度和溫度的相圖。

d：Fe3GeTe2薄層的室溫磁性。

據(jù)張遠(yuǎn)波介紹，本次研究發(fā)現(xiàn)的新型的磁性二維材料Fe3GeTe2，將為科學(xué)家們未來基于這種材料研發(fā)超高密度、柵壓可調(diào)且室溫可用的磁電子學(xué)器件提供一種可能，而新發(fā)現(xiàn)的二維材料解理方法將為未來二維材料的研究拓展新思路。

“基礎(chǔ)研究并不是以應(yīng)用為導(dǎo)向，而是探索各種可能性。新的材料、新的物性，都是我們研究的出發(fā)點(diǎn)。”張遠(yuǎn)波說。對研究團(tuán)隊而言，未來還有著更多的可能性等待他們?nèi)グl(fā)現(xiàn)、探索。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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