原子级厚度二维晶体的铁磁性研究

Quasi two-dimensional materials with unique optical, electrical and magnetic properties have been pay widely attention due to its potential application in spintronics and related nanoelectronic devices. Understanding the ferromagnetism mechanism of atomically thick two-dimensional crystals diluted magnetic semiconductors is one of the pivotal issues for its application in spintronic devices. Based on our preliminary work, in the proposed project we will investigate how to synthetize the atomically thick two-dimensional crystals by using chemical approach. In order to regulate the magnetic behaviour, the fabrication process will be optimized and the mechanism causing magnetism in this type of substance will be explored. Through magnetic measurements and microstructure analysis, we want to confirm the intrinsic characteristics of room temperature ferromagnetism for the quasi two-dimensional crystals. Furthermore, the relevant relationship between the occurrence of ferromagnetism and the thinkness, crystalline in the samples is going to be investigated. Combining with the strain engineering, the strain-dependent magnetic moment for the representative samples will be explored. Analyzing the samples' optical and electrical properties, electron paramagnetic resonance and magnetic spectrum measurements, as well as first principal calculation results, this research will be focused on revealing the origin of ferromagnetism in atomically thick two-dimensional crystals and illuminating the mechanism behind their stable room temperature ferromagnetism. The results will provide the theoretical and experimental basis for its future applications in spintronics and relevant multifunctional devices.

无需通过离子掺杂及外部修饰，探索具有本征室温铁磁性的原子级厚度二维材料的制备工艺，深入理解其内禀铁磁性机理，实现对其铁磁性的可调及可控，是此类材料在未来纳米自旋电子器件应用中拟解决的关键问题之一。本项目在前期工作的基础上，拟利用化学方法探索具有类石墨烯结构准二维材料的制备工艺，通过对样品宏观磁性、微观磁性及微结构的分析，得到材料的维度、厚度、结晶度、缺陷类型及浓度与其磁特性的相关规律。结合样品光电性能、电子顺磁共振和磁谱测量及第一原理计算，揭示准二维金属硫属化合物铁磁性的微观磁矩起源、磁矩间相互作用及其磁各向异性机理。同时，在实验上实现对典型样品铁磁性的可调和可控，为其在下一代纳米自旋相关电子器件中的应用提供理论依据和实验基础。

传统的磁性材料是指由含部分填满的d和f电子的磁性原子或离子构成的材料。近期研究表明一些传统非铁磁性物质（由非d和f磁性原子或离子构成的大块物质）在低维度下也会表现出室温铁磁性。对于此类铁磁性材料的研究无论从材料制备、物理机制角度，还是其在未来的技术应用上都将是一个极具挑战的基础性研究工作。原子级厚度二维晶体因其潜在的理论和实际应用价值而引起研究者的广泛关注。第一，二维尺度高度各向异性所表现的量子限域效应使得原子级厚度二维材料表现出与体相材料截然不同的物理特性；此外，得益于其有效的连接微观电子结构与宏观器件的性质,准二维材料被认为是最有希望成为超薄、透明、柔性电子器件的构筑单元。本项目在前期工作的基础上，利用化学方法探索具有原子级厚度二维材料的制备工艺，通过对样品宏观磁性、微观磁性及微结构的分析，得到了过渡金属硫属化合物材料的维度、厚度、结晶度、外加应力等参数与其磁特性的相关性规律。结合样品的的调控。结合样品的光电性能、电子顺磁共振和磁谱测量及第一原理计算，研究了这些原子级厚度二维材料的微观磁矩起源、磁矩间相互作用及其磁各向异性机理，为实现其在纳米自旋电子学及相关电子器件构筑等领域中的应用提供理论依据和实验基础。此外，在制备原子级厚度二维材料研究其铁磁性规律的同时，我们深入研究了这些材料在能源转换和储存方面的应用。开拓了我们将来的研究方向及样品磁特性与能源转换方面的交叉合作的思路。 申请人及项目组参与者在此基金项目的资助下共发表已标注基金项目批准号的SCI论文33篇，其中一区论文20篇。有2篇文章为SCI高被引论文，申请到国家授权专利2项。