中科院半导体所魏钟鸣Nat. Commun. : 二维铁掺杂二硫化硒磁性半导体

【引言】

二维层状过渡金属硫化物(TMDs)是一类非常具有前景的功能材料，如：MoS₂、WS₂和SnS₂等。通过掺杂、应力和化学修饰等方法可以让该类材料具有独特的光学和电学性能。将铁磁性原子（Mn、Fe、Co、Ni）掺杂到TMDs中可以获得在自旋电子学中具有前景的磁性半导体材料。至今，已经有报道利用化学气相沉积法将Co和Mn掺杂到MoS₂纳米片中，获得具有磁性的二维半导体材料。然而，对于高质量磁性二维半导体材料的磁性特性和光电特性的研究却仍然匮乏。最近，在Nature上发表的两篇磁性二维材料的相关论文（Prof. Xiang Zhang et al. Nature 2017, 546, 265-269. ; Prof. Xiaodong Xu et al. Nature 2017, 546, 270-273. ），揭示了磁性二维材料的巨大应用潜力。

【成果简介】

近日，中国科学院半导体研究所的魏钟鸣研究员（通讯作者）、李京波研究员和张俊研究员等人在Nat. Commun. 上发表了一篇名为“A two-dimensional Fe-doped SnS₂ magnetic semiconductor”。该研究合成了一种高质量的铁掺杂的二硫化锡二维材料。该材料表现出了优异的光电性能，并且表现出垂直各向异性的铁磁行为。

【图文简介】

图1：Fe掺杂SnS₂薄片的表征

(a). Fe掺杂SnS₂薄片的光学显微照片；

(b-c). Fe掺杂SnS₂薄片和SnS₂薄片的AFM图和拉曼谱；

(d). SnS₂的原子结构；

(e). Fe掺杂SnS₂薄片低分辨率HAADF-STEM图；

(f). Fe掺杂SnS₂薄片的EDS；

(g). Fe掺杂SnS₂薄片高分辨率STEM图；

(h). g图中黄色区域的mapping。

图2：单层Fe掺杂SnS₂薄片的电学和光响应表征

(a-b). 单层Fe掺杂SnS₂器件的传输特性和输出特性曲线，插图为器件的光学结构图；

(c). 单层Fe掺杂SnS₂器件的开光响应曲线；

(d). 单层Fe掺杂SnS₂器件的光响应度与光强的关系曲线。

图3：Fe掺杂SnS₂的磁学特性

(a-b). SnS₂和Fe掺杂SnS₂的的磁滞回线；

(c). Fe掺杂SnS₂的磁滞回线的放大图；

(d). Fe掺杂SnS₂的磁化强度与温度的变化关系。

图4：单层Fe掺杂SnS₂的理论计算

(a). 单层Fe掺杂SnS₂的原子结构，红黄蓝分别代表Sn、S、Fe原子。

(b). 单层Fe掺杂SnS₂的总态密度；

(c, f). c, f分别是单层Fe-SnS₂的自旋向上和自旋向下通道；

(d). 自旋密度的空间分布；

(e). Fe-SnS2自旋的Fe 3d电子示意图。

【小结】

  该研究将成功铁原子掺杂进入二硫化锡中制备出高质量的磁性二维半导体材料，该材料表现出优异的光电特性与磁学特性，并且用理论计算验证了实验结果。该研究制备的Fe掺杂的SnS₂在未来纳米电子、磁性、光电领域都具有巨大的应用潜力。

文献链接：A two-dimensional Fe-doped SnS₂ magnetic semiconductor (Nat. Commun, 2017, DOI: 0.1038/s41467-017-02077-z)

团队介绍

李京波研究员和魏钟鸣研究员的团队主要围绕低维半导体材料新奇物理性质和功能器件的研究，该团队属于中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室。魏钟鸣研究员2015年入选中国科学院“百人计划”，2016年获得优秀青年科学基金，长期从事新型低维半导体材料的制备及其光电功能器件的研究，已经在Adv. Mater.; J. Am. Chem. Soc.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊发表论文80多篇。李京波研究员是国家杰出青年基金获得者、中青年科技创新领军人才和中组部“万人计划”入选者，一直致力于半导体掺杂机制、高性能光电材料与器件等领域的研究，在Nature、Nature Materials、PRL、JACS、Nano Lett.、Adv. Mater.等国际著名期刊发表SCI论文200余篇，被SCI引用超过八千次。该工作的合作者张俊研究员是中组部第十一批“青年千人计划”，主要从事低维量子材料中光与物质相互作用的实验研究，已在国际学术期刊上发表学术论文60多篇，其中在影响因子大于6的杂志上发表文章30多篇，包括1篇Nature（封面）、 2篇Nature Photonics， 7篇Nano Letters、9篇ACS Nano。

团队在该领域的工作汇总

该团队在新型二维半导体材料和器件方面已经取得一系列重要进展，代表性论文：

1. Xiaoting Wang, Yongtao Li, Le Huang, Xiang-Wei Jiang, Lang Jiang, Huanli Dong, Zhongming Wei,* Jingbo Li,* and Wenping Hu.* Short-Wave Near-Infrared Linear Dichroism of Two-Dimensional Germanium Selenide. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (42), 14976-14982.
2. Yan Wang, Wu-Xing Zhou, Le Huang, Congxin Xia, Li-Ming Tang, Huixiong Deng, Yongtao Li, Ke-Qiu Chen,* Jingbo Li,* and Zhongming Wei.* Light induced double 'on' state anti-ambipolar behavior and self-driven photoswitching in p-WSe₂/n-SnS₂ 2D Mater. 2017, 4 (2), 025097.
3. Bo Li, Le Huang, Guangyao Zhao, Zhongming Wei,* Huanli Dong, Wenping Hu,* Lin-Wang Wang,* and Jingbo Li.* Large-Size β-Cu₂S Nanosheets with Giant Phase Transition Temperature Lowering (120 K) Synthesized by a Novel Method of Super-Cooling Chemical-Vapor-Deposition. Mater. 2016, 28 (37), 8271-8276. (Back Cover)
4. Yongtao Li, Le Huang, Bo Li, Xiaoting Wang, Ziqi Zhou, Jingbo Li,* and Zhongming Wei.* Co-nucleus 1D/2D Heterostructures with Bi₂S₃ Nanowire and MoS₂ Monolayer: One-Step Growth and Defect-Induced Formation Mechanism. ACS Nano 2016, 10 (9), 8938-8946.
5. Le Huang, Nengjie Huo, Yan Li, Hui Chen, Juehan Yang, Zhongming Wei,* Jingbo Li,* and Shu-Shen Li. Electric-Field Tunable Band Offsets in Black Phosphorus and MoS₂ van der Waals p-n Heterostructure. Phys. Chem. Lett. 2015, 6 (13), 2483-2488.
6. Nengjie Huo, Jun Kang, Zhongming Wei, Shu-Shen Li, Jingbo Li,* and Su-Huai Wei.* Novel and Enhanced Optoelectronic Performances of Multilayer MoS₂–WS₂ Heterostructure Transistors. Funct. Mater. 2014, 24 (44), 7025-7031

相关优质文章推荐

磁性二维材料的相关优质文献：

Prof. Xiang Zhang et al. Nature 2017, 546, 265-269. 

Prof. Xiaodong Xu et al. Nature 2017, 546, 270-273.

本文由材料人电子电工学术组刘于金供稿，材料牛整理编辑。

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