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《Nature》重磅：二維鐵磁性氧化石墨烯，將開創(chuàng)全新科研領(lǐng)域！

2017-05-03 10:10:24 作者：本網(wǎng)整理來源：烯碳資訊分享至：

近日消息，美國Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)成功證明了二維（2D）層狀晶體包括石墨烯和硫化鉬，他們可以展現(xiàn)材料本身的鐵磁性。研究小組不僅證實(shí)了這些材料的存在，而且他們還可以高度控制材料的鐵磁性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對于實(shí)際應(yīng)用有著深刻的影響，包括磁傳感器和正在發(fā)展的電子信息編碼技術(shù)。

博士后研究員程功（右）和高級學(xué)院科學(xué)家張祥（站立）使用膠帶獲得碲化鉻（CGT）的2-D片。他們發(fā)現(xiàn)了二維范德華力材料中的內(nèi)在鐵磁性

Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)成功證明了二維（2D）層狀晶體可以通過范德華力聚集在一起，這些二維結(jié)構(gòu)晶體包括石墨烯和硫化鉬，他們可以展現(xiàn)材料本身的鐵磁性。研究小組不僅證實(shí)了這些材料的存在，而且他們還可以高度控制材料的鐵磁性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對于實(shí)際應(yīng)用有著深刻的影響，包括磁傳感器和正在發(fā)展的電子信息編碼技術(shù)。

CGT原子結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上，Berkeley科學(xué)家曾把二維硫化物層狀材料稱為鉻碲鍺（CGT），它是一層鐵磁絕緣體，由于它在自旋電子設(shè)備中的潛在應(yīng)用，已經(jīng)獲得人們廣泛的關(guān)注。盡管這種材料幾十年以來一直以塊狀的形式存在，但是最近它被制成了二維層片的形式，并成為范德瓦爾斯晶體系列的一部分。

研究人員使用了一種被稱為磁光克爾效應(yīng)的光學(xué)技術(shù)，掃描克爾光學(xué)顯微鏡觀察材料時就涉及到這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)偏振光與材料中的自旋電子相互作用時，這種技術(shù)可以檢測偏振光線是如何改變的。這使得它能夠清楚的檢測到只有一層原子厚度的材料的磁性。

Xiang Zhang，Berkeley實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部高級研究員，加州大學(xué)Berkeley教授，在一封介紹IEEE光譜電子的郵件中說，“我們關(guān)于二維范德瓦爾斯晶體的內(nèi)在鐵磁性這一發(fā)現(xiàn)開辟了一個全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。”

根據(jù)Zhang的研究，雖然理論上認(rèn)為二維范德瓦爾斯晶體中的鐵磁性可能存在，但檢測它們是非常困難的，甚至于不可能創(chuàng)造它們存在的環(huán)境。這是因?yàn)樵诜橇銣囟认?，熱量會不可避免地進(jìn)入鐵磁性材料，并激發(fā)出自旋電子。相比于3D材料，這種熱激發(fā)在2D材料上顯現(xiàn)的更加強(qiáng)烈。結(jié)果是，當(dāng)一個給定的材料從3D到2D收縮時，鐵磁性出現(xiàn)的臨界溫度大幅下降。由于這種強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，二維鐵磁性本質(zhì)上是脆弱的。

雖然熱效應(yīng)在抑制磁有序方面起著至關(guān)重要的作用，由Berkeley實(shí)驗(yàn)室研究人員研究的二維范德瓦爾斯晶體具有固定的磁各向異性，即磁化取向有一個優(yōu)先的方向。優(yōu)先的和非優(yōu)先的方向之間存在穩(wěn)定的能量差，這種能量差使得二維磁序阻礙了熱激發(fā)，這有可能就是Berkeley的科學(xué)家觀察到的二維鐵磁性。

Cheng Gong是張實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，在一份新聞稿中說：“與二維范德瓦爾斯材料不同，比如金屬如鐵、鈷、鎳的薄膜，它們結(jié)構(gòu)不完善，容易受到各種干擾，導(dǎo)致虛假的各向異性和不可預(yù)測性”。“相反，高度結(jié)晶，均勻平面的2D CGT，由于內(nèi)在較小的各向異性，使得較小的外部磁場能有效地控制各向異性，這種史無前例的發(fā)現(xiàn)將有助于實(shí)現(xiàn)磁場區(qū)域?qū)﹁F磁轉(zhuǎn)變溫度的控制。”

由于設(shè)備尺寸減小要求越來越高的信息存儲密度，這一發(fā)現(xiàn)可能滿足這一需求。Zhang說，“遲早，人們必須解決3D材料縮小到2D體系時引發(fā)的鐵磁性問題，換句話說，在許多領(lǐng)域，由于設(shè)備密度的不斷增加，3D材料必須降到2D。”

一般情況下，電子設(shè)備和光學(xué)設(shè)備會逐步轉(zhuǎn)向2D材料，因?yàn)檫@種材料更適合微型設(shè)備。此外，二維材料的性質(zhì)可以很容易地控制和調(diào)整，因此特別適合于傳感器和調(diào)制器。由于二維材料通常是透明的，光吸收有限，因此，在光學(xué)應(yīng)用方面有很大意義。

張說“我們設(shè)想，二維鐵磁性范德瓦爾斯材料將會具有廣泛的潛在應(yīng)用，如納米級存儲器、磁傳感器、透明的磁鐵，磁光調(diào)制器。”

進(jìn)一步研究中，Zhang和他的同事們打算將重點(diǎn)放在兩個方向：基礎(chǔ)物理和實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)研究人員論證的二維范德華晶體，為解決繁雜的電子自旋物理現(xiàn)象提供了一個理想的實(shí)驗(yàn)平臺，這個平臺被嚴(yán)格的限制在一個完美的二維材料系統(tǒng)中。 Zhang補(bǔ)充說：“我們希望設(shè)計和控制這種二維材料的磁性能，以使它們適用于各種應(yīng)用場合。”

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