强磁场下二维过渡金属硫属化合物类石墨烯结构的本征磁性调控规律研究

Recently, two-dimensional nanomaterials with graphene-like structures have become one of the most sustainable development pole due to more diversified freedoms for regulating intrinsic properties compared with pure-carbon graphene itself. However, spin-regulation in two-dimensional nanomaterials still remains great challenge, and thus greatly hampered their application into spintronic devices. The present project will focus on two-dimensional transition metal chalcogenides (TMDs), the most important 2D electronic material systems, as the investigated material systems, in order to explore their intrinsic physical properties as well as their spin-regulation behaviors under high magnetic field. Under high magnetic field, novel quantum behavior, such as the quantum Hall effect and Wigner electron crystals in two-dimensional TMDs will be expected. Our project aims to provide effective ways under high magnetic field for introduction, characterization, and regulation the intrinsic spin in two-dimensional materials, and even further inducing spin/orbit symmetry breaking realizing novel two-dimensional quantum ground state and excited states. Exploring high magnetic field to modulate the macroscopic spin/charge order and transport properties of 2D nanomaterials will also be covered. Our research would effectively promote the promising application of two-dimensional nanomaterials in spintronic devices.

准二维类石墨烯结构由于具有比石墨烯本身更多的物性调控自由度从而成为近年来材料科学领域迅速崛起并且持续发展的新热点，但如何实现类石墨烯无机结构的自旋调控以及将其成功应用于磁电子器件中依然面临极大挑战。本项目拟以二维过渡金属硫属化合物(TMDs)为主要研究对象，聚焦强磁场下二维过渡金属硫属化合物磁电热等本征物理量的高场依赖行为，揭示二维材料体系本征自旋调控的规律特点，进而探索强磁场条件下准二维过渡金属硫属化合物体系的量子霍尔效应和Wigner电子晶体等新奇量子行为。项目实施拟为解决目前准二维过渡金属硫属化合物本征自旋引入、表征和调控的现实困难提供新的途径；并利用强磁场调控和诱导自旋、轨道等序参量对称破缺，通过序参量对称破缺实现新奇二维量子基态和激发态，进而调制其宏观自旋、电荷序和输运特性，可望推动准二维类石墨烯结构在磁电子器件中的成功应用。

在国家自然科学基金委联合基金培育项目（NO：U1432133）的资助下，利用强磁场装置，系统研究了类石墨烯二维过渡金属硫属化合物材料的磁电等本征物理量的高场依赖行为。 利用化学调制手段实现了二维过渡金属硫属化合物的电子自旋引入，并进行相应的表征、调控，在新的强磁场状态下的二维限域电子新奇量子行为研究方面取得了系列进展。.（1）通过系列化学方法成功将电子自旋引入过渡金属硫属化合物类石墨烯结构中，实现了二维本征铁磁材料体系的有效构建。利用强磁场激励二维材料，观察其自旋和磁性响应变化，总结了不同磁场强度条件下电子自旋属性与低维纳米固体磁电输运行为的关联规律。..（2）提出使用有机分子修饰以及范德华带隙工程来在无机一维原子链、二维原子面体系中实现电子、自旋引入, 利用强磁场装置观察到多种二维材料体系中超导相-铁磁相共存现象，实现了金属绝缘体相变的调控。..（3）在液相剥离法的基础上，通过快速离子嵌入和液相溶剂酸化方法对系列过渡金属硫属化合物进行了剥离，实现了超大尺寸、层数、缺陷可调的过渡金属硫化物超薄二维纳米片的制备。为研究二维过渡金属化合物的磁电输运行为奠定了材料基础。综述了二维材料的表面化学调控和制备在其相关的本征物性规律研究，在二维材料制备及调控领域取得了较为重要的影响。..在基金资助下，项目负责人已在Nature Commun.（4篇）、Phys. Rev. Lett.（1篇）、J. Am. Chem. Soc. (6 篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (10 篇)、Adv. Mater.(9篇)等发表项目相关论文41 篇，入选 VIP Paper等，入选英国皇家化学会会士（RSC fellow），获得中国化学会青年化学奖、教育部青年长江学者等。