《Nature》重磅：二維鐵磁性氧化石墨烯，將開創全新科研領域！

近日消息，美國Lawrence Berkeley國家實驗室的研究人員已經成功證明了二維（2D）層狀晶體包括石墨烯和硫化鉬，他們可以展現材料本身的鐵磁性。研究小組不僅證實了這些材料的存在，而且他們還可以高度控制材料的鐵磁性。這項發現對於實際應用有著深刻的影響，包括磁感測器和正在發展的電子信息編碼技術。

博士後研究員程功（右）和高級學院科學家張祥（站立）使用膠帶獲得碲化鉻（CGT）的2-D片。 他們發現了二維范德華力材料中的內在鐵磁性

Lawrence Berkeley國家實驗室的研究人員已經成功證明了二維（2D）層狀晶體可以通過范德華力聚集在一起，這些二維結構晶體包括石墨烯和硫化鉬，他們可以展現材料本身的鐵磁性。研究小組不僅證實了這些材料的存在，而且他們還可以高度控制材料的鐵磁性。這項發現對於實際應用有著深刻的影響，包括磁感測器和正在發展的電子信息編碼技術。

CGT原子結構

這項研究發表在《自然》雜誌上，Berkeley科學家曾把二維硫化物層狀材料稱為鉻碲鍺（CGT），它是一層鐵磁絕緣體，由於它在自旋電子設備中的潛在應用，已經獲得人們廣泛的關注。儘管這種材料幾十年以來一直以塊狀的形式存在，但是最近它被製成了二維層片的形式，並成為范德瓦爾斯晶體系列的一部分。

研究人員使用了一種被稱為磁光克爾效應的光學技術，掃描克爾光學顯微鏡觀察材料時就涉及到這項技術。當偏振光與材料中的自旋電子相互作用時，這種技術可以檢測偏振光線是如何改變的。這使得它能夠清楚的檢測到只有一層原子厚度的材料的磁性。

Xiang Zhang，Berkeley實驗室材料科學部高級研究員，加州大學Berkeley教授，在一封介紹IEEE光譜電子的郵件中說，「我們關於二維范德瓦爾斯晶體的內在鐵磁性這一發現開闢了一個全新的科學研究領域。」

根據Zhang的研究，雖然理論上認為二維范德瓦爾斯晶體中的鐵磁性可能存在，但檢測它們是非常困難的，甚至於不可能創造它們存在的環境。這是因為在非零溫度下，熱量會不可避免地進入鐵磁性材料，並激發出自旋電子。相比於3D材料，這種熱激發在2D材料上顯現的更加強烈。結果是，當一個給定的材料從3D到2D收縮時，鐵磁性出現的臨界溫度大幅下降。由於這種強烈的熱效應，二維鐵磁性本質上是脆弱的。

雖然熱效應在抑制磁有序方面起著至關重要的作用，由Berkeley實驗室研究人員研究的二維范德瓦爾斯晶體具有固定的磁各向異性，即磁化取向有一個優先的方向。優先的和非優先的方向之間存在穩定的能量差，這種能量差使得二維磁序阻礙了熱激發，這有可能就是Berkeley的科學家觀察到的二維鐵磁性。

Cheng Gong是張實驗室的博士後研究員，在一份新聞稿中說：「與二維范德瓦爾斯材料不同，比如金屬如鐵、鈷、鎳的薄膜，它們結構不完善，容易受到各種干擾，導致虛假的各向異性和不可預測性」。「相反，高度結晶，均勻平面的2D CGT，由於內在較小的各向異性，使得較小的外部磁場能有效地控制各向異性，這種史無前例的發現將有助於實現磁場區域對鐵磁轉變溫度的控制。」

由於設備尺寸減小要求越來越高的信息存儲密度，這一發現可能滿足這一需求。Zhang說，「遲早，人們必須解決3D材料縮小到2D體系時引發的鐵磁性問題，換句話說，在許多領域，由於設備密度的不斷增加，3D材料必須降到2D。」

一般情況下，電子設備和光學設備會逐步轉向2D材料，因為這種材料更適合微型設備。此外，二維材料的性質可以很容易地控制和調整，因此特別適合於感測器和調製器。由於二維材料通常是透明的，光吸收有限，因此，在光學應用方面有很大意義。

張說「我們設想，二維鐵磁性范德瓦爾斯材料將會具有廣泛的潛在應用，如納米級存儲器、磁感測器、透明的磁鐵，磁光調製器。」

進一步研究中，Zhang和他的同事們打算將重點放在兩個方向：基礎物理和實際應用。經研究人員論證的二維范德華晶體，為解決繁雜的電子自旋物理現象提供了一個理想的實驗平台，這個平台被嚴格的限制在一個完美的二維材料系統中。 Zhang補充說：「我們希望設計和控制這種二維材料的磁性能，以使它們適用於各種應用場合。」

文獻鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22060.html

來源：烯碳資訊

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