阚二军、邓开明教授课题组最新研究成果在《美国化学会志》发表

时间:2018-08-26 09:25 来源:南理工 浏览数:475


近日,我校理学院阚二军、邓开明教授课题组与复旦大学向红军教授、北京计算科学研究中心黄兵研究员合作,在国际顶尖期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上发表了题为“具有本征室温铁磁性的二维半导体” (Towards Intrinsic Room-temperature Ferromagnetism in Two-dimensional Semiconductors)的研究论文,课题组博士生黄呈熙为该论文第一作者,阚二军教授为共同通讯作者。

铁磁半导体允许在自旋与电荷的双重自由度上控制电子器件的磁性与输运性质,对于逻辑器件和信息存储技术的应用具有重要意义。对铁磁半导体的研究始于上个世纪50年代,早期发现的本征铁磁半导体材料十分稀少,且其居里温度通常远远低于室温。时至今日,能够在室温条件下工作的铁磁半导体材料仍未被发现。《科学》(Science)杂志曾在2005年提出了当前科学界面临的125个重要科学难题,其中就包含了“是否存在室温磁性半导体?”(Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature?)足见,如何提升铁磁半导体的居里温度至室温范围已成为当前亟待解决的重大科学问题。

铁磁半导体研究发展历程

阚二军教授团队前期在铁磁材料和铁电半导体研究领域已获得了多项研究成果,发表了多篇学术论文(J. Am. Chem. Soc, 2012,134,5718;Nano Letters, 2015,15,8277; Nano Letters, 2016, 16, 8015; Phys. Rev. Lett. 2018, 120, 147601)。在这些前期工作中,他们从基础理论层面详细阐述了磁性材料在有限温度下产生铁磁序的物理机制,提出了构造具有长程磁序的磁性金属、半金属、半导体材料的多种物理化学方法,并研究了半导体材料中铁磁序与铁电序的共存现象,对自旋电子学材料领域的研究进展做出了重要贡献。

阚二军、邓开明教授课题组的研究思路

在前期工作的基础上,课题组首次提出了通过构造多元合金化合物的方法来增强磁性半导体体系中的铁磁交换作用,从而获得具有突破室温的居里温度的本征铁磁半导体材料。这一机制的提出改变了长久以来人们对“超交换作用通常导致反铁磁或弱铁磁性质”的认识,是对经典超交换理论的扩展和更新。他们选取了最近实验报道的二维铁磁半导体材料CrI3Nature, 2017, 546, 270)和CrGeTe3Nature, 2017, 546, 265)作为研究实例,采用第一性原理计算结合紧束缚解析模型的方法,从理论上证明了CrW合金化能够明显地增强这些体系中铁磁交换作用,提升其居里温度至室温范围,同时能够很好地保持体系原本的半导体性质。这一发现将极大地推动室温二维本征铁磁半导体的理论、实验和应用研究进程。他们期待在不久的将来,基于这一研究的室温合金铁磁半导体材料能够被实验证实,这对于我国在半导体电子器件领域在国际竞争中实现“弯道超车”具有十分重要的意义。

该工作得到了国家自然科学基金及校自主科研的支持。