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《Nature》重磅：二維鐵磁性氧化石墨烯，將開創(chuàng)全新科研領域！

2017-05-03 10:10:24 作者：本網(wǎng)整理來源：烯碳資訊分享至：

近日消息，美國Lawrence Berkeley國家實驗室的研究人員已經(jīng)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)對于實際應用有著深刻的影響，包括磁傳感器和正在發(fā)展的電子信息編碼技術。

博士后研究員程功（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(fā)現(xiàn)了二維范德華力材料中的內(nèi)在鐵磁性

Lawrence Berkeley國家實驗室的研究人員已經(jīng)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(jié)構(gòu)晶體包括石墨烯和硫化鉬，他們可以展現(xiàn)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(fā)現(xiàn)對于實際應用有著深刻的影響，包括磁傳感器和正在發(fā)展的電子信息編碼技術。

CGT原子結(jié)構(gòu)

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上，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，由于它在自旋電子設備中的潛在應用，已經(jīng)獲得人們廣泛的關注。盡管這種材料幾十年以來一直以塊狀的形式存在，但是最近它被制成了二維層片的形式，并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，“我們關于二維范德瓦爾斯晶體的內(nèi)在鐵磁性這一發(fā)現(xiàn)開辟了一個全新的科學研究領域。”

根據(jù)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，甚至于不可能創(chuàng)造它們存在的環(huán)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，并激發(fā)出自旋電子。相比于3D材料，這種熱激發(fā)在2D材料上顯現(xiàn)的更加強烈。結(jié)果是，當一個給定的材料從3D到2D收縮時，鐵磁性出現(xiàn)的臨界溫度大幅下降。由于這種強烈的熱效應，二維鐵磁性本質(zhì)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(yōu)先的方向。優(yōu)先的和非優(yōu)先的方向之間存在穩(wěn)定的能量差，這種能量差使得二維磁序阻礙了熱激發(fā)，這有可能就是Berkeley的科學家觀察到的二維鐵磁性。

Cheng Gong是張實驗室的博士后研究員，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(jié)構(gòu)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(jié)晶，均勻平面的2D CGT，由于內(nèi)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(fā)現(xiàn)將有助于實現(xiàn)磁場區(qū)域?qū)﹁F磁轉(zhuǎn)變溫度的控制。”

由于設備尺寸減小要求越來越高的信息存儲密度，這一發(fā)現(xiàn)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(fā)的鐵磁性問題，換句話說，在許多領域，由于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(zhuǎn)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(zhì)可以很容易地控制和調(diào)整，因此特別適合于傳感器和調(diào)制器。由于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、磁傳感器、透明的磁鐵，磁光調(diào)制器。”

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(jīng)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(xiàn)象提供了一個理想的實驗平臺，這個平臺被嚴格的限制在一個完美的二維材料系統(tǒng)中。 Zhang補充說：“我們希望設計和控制這種二維材料的磁性能，以使它們適用于各種應用場合。”

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責任編輯：汪玉玲

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