Fe-Sb超结构：二维铁磁体

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二维铁磁体不仅可以用来研究基础的磁性现象，还可以广泛应用到超高速、超高容量信息存储、催化和永磁体等领域。近几年，尽管有一些工作预言可以用一些类石墨烯材料(比如氢化石墨烯、掺杂的单层GaSe以及过渡金属硫族化合物)实现二维磁体，但是仅有很少的二维铁磁薄膜可以在实验室成功合成。直接利用传统的磁性元素如铁、钴、镍（Fe、Co、Ni）等构筑稳定且易制备的二维铁磁性薄膜为实现二维铁磁体系提供了另外一种有效的途径。早在2000年，理论研究发现二维铁薄膜比体相铁块有着更高的平均磁矩和更大的磁各向异性，在磁性器件、单原子催化等方面更具应用优势。近期虽然将单原子层的铁膜在石墨烯孔中制备出来，但是得到的铁膜却是正方晶格。如果可以得到类石墨烯的蜂窝状六角晶格的二维铁磁体，不仅可以应用在自旋电子学、信息存储和催化方面，还可用来验证拓扑绝缘体和超导体的概念基础模型——Haldane模型。‍‍

近日，中国科学院武汉物理与数学研究所曹更玉（点击查看介绍）课题组与物理研究所表面物理国家重点实验室孟胜（点击查看介绍）课题组合作，在新型二维铁磁超结构的研究方面获得了重要进展，成功在锑(111)衬底上合成了二维铁磁超结构，并且结合理论模拟验证了该二维铁磁结构的原子结构和相关磁性质。相关研究成果发表在美国化学会的ACS Nano 杂志上。

该论文作者于迎辉副研究员（第一作者）与实验合作者通过在半金属锑表面沉积铁原子，首次成功获得了单层有序Fe-Sb铁磁结构，并利用超高真空低温扫描隧道显微镜（STM）观察发现该结构是具有两套共穿子晶格的类石墨烯六角单层铁磁结构相。进一步的研究发现，该二维体系可以继续囚禁Sb原子在六角单层相上方形成新颖的有序幻数纳米环。另外，实验还成功获得了Fe₃Sb₇二维全同量子点阵列。两种二维铁磁超结构的STM形貌如图所示。

图1. 左图为类石墨烯Fe-Sb超结构及幻数纳米环的STM形貌图，右图为二维全同量子点Fe₃Sb₇的STM形貌图

在理论方面，李晖副研究员（通讯作者）和付会霞博士生（共同第一作者）利用第一性计算原理模拟确认了两种二维铁磁超结构的原子构型，见下图2和图3所示。研究还发现这两种超结构均具有较大的磁矩(2.0−3.0 μB/Fe)，并且这种高磁矩都局域在铁原子的d 电子上。

图2. 类石墨烯Fe-Sb超结构及幻数纳米环的原子模型和模拟STM形貌图

图3. 左图为二维全同量子点Fe₃Sb₇的原子模型和模拟STM的形貌图（a），右图为Fe₃Sb₇的电子态密度（b）和自旋密度分布图（c）

该研究为二维铁磁体的制备提供了一种新方法，不仅为验证Haldane模型提供了实际体系，而且有利于促进二维铁磁体在超高密度磁存储器件的构筑和异相催化方面的广泛应用。

该论文作者为：Yinghui Yu, Huixia Fu, Limin She, Shuangzan Lu, Qinmin Guo, Hui Li, Sheng Meng and Gengyu Cao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fe on Sb(111): Potential Two-Dimensional Ferromagnetic Superstructures

ACS Nano, 2017, 11, 2143–2149, DOI: 10.1021/acsnano.6b08347

导师介绍

曹更玉

http://www.x-mol.com/university/faculty/41631

孟胜

http://www.x-mol.com/university/faculty/41632