近日，上海科技大学物质学院赵爱迪教授与南开大学胡振芃教授以及中国科学技术大学吴长征教授合作，在二维磁性范德华材料的研究中取得新的突破：研究人员利用分子束外延方法首次制备出了单层和双层的CrTe3超薄膜，并在此基础上制备出原子级锐利的CrTe3/CrTe2的面内金属-半导体肖特基异质结。该成果发表于《先进材料》(Advanced Materials)。
上图：单层CrTe3的结构模型、扫描隧道显微学图像以及CrTe2/CrTe3磁性面内异质结的制备。下图：CrTe2/CrTe3异质结的高分辨原子力显微学成像、结构模型及其肖特基势垒能带图。
近年来，随着以石墨烯和过渡金属硫族二维材料为代表的二维材料研究的兴起，带有本征磁性的二维范德华材料引起了广泛关注。由于单层的范德华材料是真正的二维体系，其磁性在原子级受限维度下依然保持长程磁序且易于通过外场和层间耦合效应调控，因此二维范德华材料有望被用于构建新型的量子自旋器件和拓扑磁性器件。
从磁性分类来看，二维磁性材料可以按照其面内的本征磁序分为二维反铁磁性材料和二维铁磁性材料。与常见的铁磁性相比，反铁磁性具有零杂散磁场、不易受到外磁场干扰的显著优势，且具有可高达太赫兹频率的超快自旋动力学特性，因而反铁磁性材料有望被用于实现高密度、快速响应、高集成度、性能稳定和低能耗的超快自旋器件。然而对只有单层的二维范德华材料来说，其宏观反铁磁性缺乏合适的表征手段，极大限制了新型二维反铁磁材料的发现和确认。因此，寻找具有面内本征反铁磁序的二维范德华材料体系成为当前磁性材料研究的重要课题之一。
针对这一目标，研究人员选择体相具有低温反铁磁性的CrTe3层状材料作为探索对象，通过优化的范德华外延方法，在石墨表面实现了单层和双层CrTe3二维超薄膜的高质量制备。并通过结合扫描隧道显微成像/谱学 (STM/STS)、自旋极化 STM和第一性原理理论计算，全面清晰地揭示了单层CrTe3的原子结构、半导体性和反铁磁性。在此基础上，研究人员巧妙利用CrTe3在特定温度窗口内可加热降解成CrTe2的特性，成功制备出由单层CrTe2和单层CrTe3组成的横向面内异质结。由于单层CrTe2为金属性的范德华磁体，而单层CrTe3为n型掺杂的半导体磁体，因此这一金属-半导体异质结是第一个由两种范德华材料制成的磁性面内肖特基异质结。研究人员进一步揭示了单层CrTe2/CrTe3面内异质结具有原子级锐利且无缝的界面，且在原子尺度上展示出理想的三角形肖特基势垒，势垒高度约0.5V。这一原子级锐利界面的实现得益于CrTe2/CrTe3两种材料都具有相同的笼状CrTe6基本单元，从根本上完全避免了通常异质结中可能出现的界面混杂现象。
单层反铁磁范德华材料CrTe3的成功制备以及面内磁异质结构的成功制备将促进基于二维范德华材料的反铁磁自旋电子器件的发展。更为有趣的是，理论计算预测单层 CrTe2和CrTe3在合适的应变下都可在反铁磁和铁磁状态以及半导体性和金属性之间发生相变。因此，这项工作中制备出的CrTe2/CrTe3面内异质结还有望用于实现多模式的压力感应的柔性自旋电子器件。
该研究成果论文题为“Ultrathin van der Waals antiferromagnet CrTe3 for fabrication of in-plane CrTe3/CrTe2 monolayer magnetic heterostructures”。上海科技大学物质学院访问生、中国科技大学化学院博士生姚杰为论文的第一作者，赵爱迪教授、南开大学胡振芃教授和中科大吴长征教授为论文的共同通讯作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200236
沪公网安备 31011502006855号