北大张艳锋Adv. Mater.：二维亚铁磁Cr2S3半导体的可控生长和厚度依赖的导电类型转变

【研究背景】

二维材料因其优异的电学、光学、力学和磁学性能，以及其在电子、光电子和自旋电子器件等领域的广阔应用前景，近年来引起了人们的广泛关注。其中，二维磁性材料由于其在二维极限下迷人的磁性能以及伴随而来的全新应用，逐渐成为相关领域的一颗新星。值得一提的是，二维磁性材料在电子学和自旋电子学器件领域具有广泛的应用前景。然而，现有的二维磁性半导体材料大多是采用机械剥离法来制备，获得材料的厚度和畴区尺寸均不易控制，这也严重地限制了二维磁性半导体材料的基础性能研究和实际应用探索。因此，发展一种简单普适的材料制备方法是非常必要的。此外，对于二维半导体在数字-模拟器件领域的应用，提高电子电路和逻辑电路的功能化集成是一个重要的挑战，实现单一材料的导电类型(p/n型)转变是其中关键的一步。

【成果简介】

近日，北京大学工学院材料系张艳锋研究员课题组在二维磁性半导体材料的可控制备和电学性能研究方面取得了重要研究进展。

他们以混合的NaCl和金属Cr粉末作为金属前驱体，通过化学气相沉积(CVD)方法成功合成了厚度可调（1.9 nm至数十纳米）的菱方Cr₂S₃纳米片。该合成过程的关键因素可归纳如下：i）使用混合的NaCl和Cr粉末作为金属前驱体可确保适度的Cr前驱体供应；ii）具有原子级平整和惰性表面的云母基底有利于范德华外延生长超薄Cr₂S₃纳米片；iii）通过对生长温度的精确调控，实现了对成核密度、畴区尺寸和厚度的精确控制。特别是，通过对不同厚度Cr₂S₃纳米片电学性质的研究，揭示了Cr₂S₃纳米片层厚依赖的导电类型转变。即随Cr₂S₃纳米片厚度的增加，导电类型从p型过渡到双极性，再过渡到n型。该研究对二维磁性材料的层厚控制合成，其磁性能的研究以及其在电子器件领域的应用具有重要意义。

【图文导读】

图一、超薄Cr₂S₃纳米片的制备过程及表征

图二、Cr₂S₃纳米片的原子结构分析

图三、Cr₂S₃纳米片的层厚控制生长

图四、Cr₂S₃-FETs的厚度依赖电学性质

图五、Cr₂S₃纳米片的面内磁性

该研究近日以题为“Controlled Growth and Thickness-Dependent Conduction Type Transition of 2D Ferrimagnetic Cr₂S₃ Semiconductors”发表在知名期刊Advanced Material杂志上，文章的第一作者是北京大学博士生崔芳芳、新加坡国立大学博士后赵晓旭，通讯作者是北京大学张艳锋研究员。该研究得到了国家重大研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金项目的大力支持。

文献链接：Controlled Growth and Thickness-Dependent ConductionType Transition of 2D Ferrimagnetic Cr2S3 Semiconductors (Adv. Mater. 2019, 1905896; DOI: 10.1002/adma.201905896)

【课题组介绍】

张艳锋，北京大学工学院研究员，主要从事石墨烯等二维层状材料的可控制备、精密表征和应用探索，在二维量子薄膜、二维层状材料（石墨烯、氮化硼、单层过渡族金属硫属化合物）及其异质结构的可控制备/构筑、精密表征和新奇物理化学特性等方面取得了系列创新性成果。

近五年来，作为课题负责人主持了国家重点研发计划，国家自然科学基金重大项目子课题、面上项目等多项科研项目。迄今在Science、Advanced Materials, Nature Communications等期刊发表论文160余篇；在国内外学术会议上做邀请报告20余次。曾获中国科学院杰出科技成就奖、全国百篇优秀博士学位论文、北京大学宝洁教师奖 (2015)、北京大学优秀博士学位论文指导教师 (2017) 等奖励。2012年获得国家优秀青年科学基金的资助，2015年入选教育部长江学者计划“青年项目”。2019年获得国家杰出青年科学基金的资助。

课题组主页链接：https://yfzhang.pku.edu.cn/index.htm

本文由大兵哥供稿。

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