北航JACS：从范德瓦尔斯反铁磁体到二维本征铁磁半导体

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

基于铁磁半导体的自旋电子器件，如非易失磁存储器，具有功耗低、操作速度快、存储密度高和数据保持力强等优良特性，且可望将存储和计算融为一体，在未来信息技术和量子计算等领域具有广阔的应用前景。因此，发展新型二维本征铁磁半导体对研制高性能超薄半导体自旋电子器件具有至关重要的意义。然而，大多数二维材料，包括石墨烯等，都不具有本征铁磁性。尽管可以通过磁原子掺杂和磁邻近效应等方法引入铁磁性，但在二维半导体中实现长程有序的自旋排列面临巨大挑战。最近，实验上报道了第一种获得二维本征铁磁半导体的方法，即从其三维的铁磁体材料中剥离得到二维本征铁磁半导体，如二维本征铁磁半导体CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆都由其铁磁体材料制备（Nature, 2017, 546, 265; Nature, 2017, 546, 270），但其居里温度皆低于液氮温度，不适于大范围应用。因此，探索更高居里温度的二维本征铁磁半导体及其可能的获取途径是亟待解决的重要科学问题。

北京航空航天大学孙志梅教授（点击查看介绍）团队通过第一性原理计算和分子动力学模拟等方法提出了一种获取二维本征铁磁半导体的新途径，即通过剥离反铁磁的范德瓦尔斯半导体获得单层铁磁半导体；并预测了一类新型二维本征铁磁半导体——单层CrOCl和CrOBr材料，其居里温度远高于此前报道的二维CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆。该文章的部分结果被世界知名材料物理学家瑞士联邦理工学院（洛桑）Nicola Marzari教授团队的研究同步证实（Nat. Nanotech., 2018, 13, 246–252）。该工作为发展新型二维本征铁磁体提供了新思路，且所预测的二维铁磁CrOCl和CrOBr材料有望应用于未来自旋电子器件。

过渡族金属氧卤化物的晶体结构及剥离能

单层CrOCl的电子结构

单层CrOCl和CrOBr的磁性性质

这一成果发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society ）上。

该论文作者为：Naihua Miao, Bin Xu, Linggang Zhu, Jian Zhou, Zhimei Sun*

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2D Intrinsic Ferromagnets from van der Waals Antiferromagnets

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2417–2420, DOI: 10.1021/jacs.7b12976

本文主要作者简介

第一作者为缪奶华副教授，通讯作者为孙志梅教授。缪奶华副教授于2015年获得比利时列日大学物理学博士学位，2016年入选北航“卓越百人”计划，长期从事材料物性的第一性原理计算和分子动力学模拟等，相关工作发表在JACS, ACS Nano, Nano Energy, AFM, APL, JPCC, JMCC 等期刊上，并兼任PRL, PRB, PRA 等期刊审稿人。孙志梅教授长期从事材料电子结构计算和分子动力学模拟研究及相关实验，在半导体材料和高性能结构材料的结构与性能研究中取得了显著成绩，在PNAS，Phys. Rev. Lett.，JACS，Nano Lett.，ACS Nano，Nano Energy, JMCA, APL，PRB，Acta. Mater. 等SCI期刊上发表论文160余篇。

近年该团队在二维晶体，MBene，MXene等方面的文章推荐：

Naihua Miao et.al., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2417–2420.

Zhen Li et.al., Nano Energy, 43, 2018, 285-290.

Naihua Miao et.al., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 11125–11131.

Zhonglu Guo et.al., J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 23530-23535.

Chen Si et.al., Nano Lett., 2016, 16, 6584–6591.

Zhonglu Guo et.al., J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11446-11452.

Chen Si et.al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 17510–17515.

孙志梅

http://www.x-mol.com/university/faculty/17196

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？

A：因为截止至目前发现的本征铁磁半导体的居里温度远低于液氮温度。因此，该研究的主要目的是寻找居里温度更高的本征铁磁半导体材料。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：主要难点是二维本征铁磁半导体非常罕见，目前已知的材料体系屈指可数，没有太多规律可循，寻找起来难度较大。

Q：本项研究成果为纯理论预测，对实验有何帮助？

A：作为一项纯理论工作，我们非常期待实验能合成该系列材料并测试性能，进一步做成器件，并研究其潜在的应用。目前，已有实验团队在跟进并制备样品。