CrWO2Cl2二维铁磁半导体电磁特性研究文献综述

 2022-07-14 09:07

文件综述

论文题目:CrWO2Cl2二维铁磁半导体电磁特性研究

  1. 前言

现代信息技术主要是信息的存储和处理,信息的存储是利用了磁性材料的磁矩,而信息的处理则靠的是半导体芯片中载流子的电荷运动来达成。但是通常的半导体材料例如硅,砷化镓等都是非磁性材料。因此,该研究的目的就是找到能够将磁,电集于一体且能够在室温的居里温度下工作的新型半导体器件。铁磁半导体允许在自旋与电荷的双重自由度上控制电子器件的磁性与输运性质,对于逻辑器件和信息存储技术的应用具有重要意义。

  1. 国内外同类研究概况

铁磁半导体为材料中电荷与自旋双重自由度的控制提供了可能性,是构筑逻辑电路器件及信息存储器件的理想材料。

上个世纪50年代,第一个本征铁磁半导体CrBr3被发现,其居里温度仅有不到30K。而到目前为止,已发现的本征铁磁半导体材料仍然十分稀少,且其居里温度过低,在室温以上时,材料的自发磁化将完全淬灭,转变为顺磁性。为获得能够在室温或接近室温的环境下工作的铁磁半导体,过去的几十年间,研究者们将目光集中在通过向非磁性半导体中掺杂磁性元素(如过渡金属元素)的方法来获得具有较高居里温度的铁磁半导体,即稀磁半导体材料。然而稀磁半导体仍然难以达到室温铁磁性的要求,大多数研究报道的稀磁半导体材料的居里温度局限在200K以下的范围,且其饱和磁化率通常很低。更重要的是,实验发现的稀磁半导体样品质量很难控制,掺杂的过渡金属容易形成团簇,磁性较弱且分布不均,实验上尚没有完全可控的方法。此外,也有研究报道利用铁磁金属与半导体来构建异质结铁磁半导体,但是这种方法获得的铁磁半导体行为仅出现异质结的界面附近的一小片区域,磁性很弱,并且极化电子很容易被其它电子散射导致磁性丢失。

另一方面,随着石墨烯的发现,越来越多的二维材料以其超薄的特性以及独特的物理性质进入了人们的视线,如h-BN,MoS2,ZnO,黑磷,硅烯等等。因此,构建二维磁性的研究也是石墨烯等二维材料的研究领域的一个重要方向。作为实验研究的先驱,理论研究人员开展了大量试探性的研究。常见的思路是在已经制备的二维材料上,通过外界调控手段来实现有序磁性, L.Pisani 等人首先报道通过在石墨烯中创建单原子缺陷,利用产生的悬挂不饱和键诱导局域磁矩。他们的研究显示诱导的局域磁矩可通过石墨烯的巡游电子进行耦合,从而产生较强的磁序。在此基础上,研究人员也提出了在石墨烯或者BN单层缺陷处吸附过渡金属元素,确保可以产生较大的局域磁矩。虽然最近实验研究人员通过在石墨烯中利用电子枪撞击产生单原子缺陷,的确发现了单原子缺陷可以产生局域磁矩。但是,实验中并没有观察到有序磁结构的存在,这说明了缺陷结构很难确保有序磁性的产生。考虑到缺陷结构的不足,研究人员开始尝试在具有完整晶体结构的二维材料中产生磁性。根据是否引入过渡金属元素,相应的研究大致可以分为两类即:不包含磁性元素和包含磁性元素的二维磁性材料。对不包含磁性元素的二维材料来说,其磁性主要是由不饱和的局域键/边界态贡献。如北京大学的孙强教授提出对石墨烯的一侧表面进行氢化,破坏石墨烯的sp2成键结构,使其转变成为sp3 杂化结构,从而在石墨烯的另外一面产生局域的悬挂键,诱导高温磁序。在后续的研究中,他们还提出了具体实现石墨烯半氢化的实验可能的途径。

虽然目前二维磁性材料已经获得了越来越多的关注和报道,但是多数报道的材料都是铁磁金属或者半金属材料。在实验上,中国科学技术大学谢毅教授领导的研究小组合成了Co9Se8纳米薄片,并发现其具备铁磁性。

最近,Gong和Huang等人报道了他们在二维本征铁磁半导体材料上取得的重大突破。他们采用了机械剥离的方法,将层状过渡金属化合物Cr2Ge2Te6和CrI3剥离为仅有几个原子层厚度薄膜,且发现这些二维薄膜保持了与其块体接近的铁磁半导体性质。紧接着,Kan等人利用W原子等价替换CrI3里面的Cr原子,大幅度地提高了其居里温度。二维铁磁半导体也在Fe掺杂的SnS2半导体薄膜中被发现。但是,这些二维铁磁体系同样面临着居里温度过低(低于50K)的问题。由此可见,如何提高铁磁半导体的居里温度已然成为一项困扰了学术界和工业界多年的科学难题。

三、参考文献

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