清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队AM：可控生长具有室温可调铁磁的二维镶嵌异质结材料

【导读】

磁性二维材料因其新奇的磁性现象如巨磁阻效应、量子反常霍尔效应等引起科学家的广泛关注，且在自旋电子等领域具有广泛的应用前景，有望突破摩尔定律的瓶颈，成为下一代信息材料。然而，本征二维铁磁材料在自然界中很少见，并且迄今为止发现的大多数二维铁磁材料存在稳定性差、居里温度（T_c）较低等问题，限制了对其性质和实际应用的研究。其中，2D异质结为探索新奇的物理现象和应用提供了新的可能性。

【成果掠影】

近日，清华大学深圳国际研究生院的王经纬和刘碧录(共同通讯)等人报道了一种二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结 (MH) 的一步化学气相沉积生长方法。所制备的异质结组分可控，且表现出稳健的室温铁磁性。二维 Cr₂O₃-CrN镶嵌异质结由嵌入CrN子畴的Cr₂O₃薄片组成，其中CrN：Cr₂O₃比例在生长过程中可实现从0%到100%的连续调控，从而实现了对Cr₂O₃-CrN镶嵌异质结的磁性 (如饱和磁化、矫顽力场)的调制。重要的是，Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结具有优异的高温稳定性和环境稳定性，且居里温度>400 K。二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结中的强铁磁性可能源于晶格失配引起的界面区中的应变和特殊的O-Cr-N键。本研究中使用的生长方法可以实现二维异质结构磁体的结构和成分控制，从而实现对铁磁性的调制。因此，该二维异质结不仅为研究界面磁性提供了材料平台，还可以作为高温自旋电子器件的新型候选材料。

【核心创新点】

1、一种生长非层状二维异质结构的简便方法。采用一步CVD法制备了由非层状Cr₂O₃和CrN组成的二维异质结。

2、一种新型二维镶嵌异质结构。与传统的垂直超晶格二维异质结构相比，改工作制备了一种新型的二维镶嵌异质结构，CrN域嵌入Cr₂O₃形成的基体中。镶嵌异质结构产生大量垂直界面，其数量取决于Cr₂O₃: CrN的比例。

3、高温下可调谐铁磁性。二维Cr₂O₃-CrN具有较强的铁磁性，居里温度在400 K以上，通过调节Cr₂O₃: CrN的比例可以调节其饱和磁化和矫顽力场特性。

【论文掠影】

图 1. 二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结示意图。

图 2. 二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的合成和结构表征。a) Cr₂O₃与CrN 的晶体结构示意图。b) 双金属前驱体制备二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结。c) 蓝宝石上生长的2D Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的光镜图像。d) 厚度为2 nm的二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的AFM图像。e) Na₂CrO₄、CrCl₃以及Na₂CrO₄和CrCl₃金属前驱体混合物(Na₂CrO₄:CrCl₃= 3:1)的TGA曲线。f) 二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的低倍率TEM图像。g) 从f收集的SAED衍射图案；红圈和蓝圈分别代表Cr₂O₃(11−20)和CrN(2−20)晶格面。h) f中Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的快速傅里叶变换HRTEM图像；插图是原始HRTEM图像中Cr₂O₃和CrN的傅里叶变换图

图 3. 改变氮化时间t_N对二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结组分比的调制。a) 当t_N= 0 min(红色)、120 min(紫色)、240 min(蓝色)时，产物中Cr和N的XPS光谱。b) t_N= 0 min(红色)、120 min(紫色)、240 min(蓝色)时产物的XRD谱图。c) 当t_N从0 ~ 300 min变化时，生长产物的一系列拉曼光谱。d) 不同t_N值的产物中N:Cr的原子比。底部为组分比演化过程示意图。

图 4. 二维Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的磁性表征。a) 300 k下Cr₂O₃、CrN和Cr₂O₃- CrN 镶嵌异质结的SQUID表征b) 300 K下3mm × 3mm蓝宝石衬底上厚度为20nm的Cr₂O₃- CrN 镶嵌异质结与N:Cr原子比相关的Hc和Ms c)不同温度下Cr₂O₃- CrN 镶嵌异质结 (N:Cr = 0.8)的SQUID表征。d)先前报道的异质结构和Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结中T_C的比较

图 5. 单片二维Cr₂O₃、Cr₂O₃-CrN镶嵌异质结和CrN的 MFM 测量结果。a、b) MFM工作机理。c、e、g) Cr₂O₃、Cr₂O₃- CrN 镶嵌异质结 (N:Cr = 0.5)和CrN的AFM图像，厚度均约为20 nm。d, f, h) c ,e和g中纳米片的MFM结果。i) Cr₂O₃, Cr₂O₃- CrN MH和CrN的铁磁性机理。白色箭头的长度表示磁性的强度。

总结展望

由磁性二维（2D）材料因其在自旋电子等领域的应用前景而引起了广泛的关注。其中，2D异质结为探索新奇的物理现象和应用提供了新的可能性。然而，铁磁性的2D异质结可控生长仍然面临巨大挑战。本研究中，作者采用化学气相沉积法成功制备一种新奇的2D Cr₂O₃-CrN镶嵌异质结材料，所制备的异质结组分可控，且表现出稳健的室温铁磁性。重要的是，Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结具有优异的高温稳定性和环境稳定性，且居里温度>400 K，为未来自旋电子学的发展提供了材料基础。

相关研究成果近期以“可调室温铁磁性二维 Cr₂O₃-CrN 镶嵌异质结的生长”（Growth of Two-Dimensional Cr₂O₃-CrN Mosaic Heterostructures with Tunable Room-Temperature Ferromagnetism）为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adma.202304946