闞二軍、鄧開明教授課題組在《美國化學會志》發表論文

2019-08-07 08:40:54來源:理學院作者:編輯:宣傳部管理閱讀:67設置

近日,我校闞二軍、鄧開明教授在國際頂尖期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上發表了題為“Ultra-high-temperature Ferromagnetism in Intrinsic Tetrahedral Semiconductors”的研究論文(論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b06452),博士生黃呈熙為該論文第一作者。《美國化學會志》由美國化學會出版,為物理化學、材料化學及相關領域的頂級期刊。

鐵磁半導體集合了傳統鐵磁材料和半導體材料的優點于一體,因而對于構建未來低能耗、高性能和多功能的自旋電子學器件如隧穿磁阻傳感器、自旋場效應晶體管、磁電容、磁隨機存儲器及量子計算/通信器件具有重要意義。對鐵磁半導體的研究已持續達半個世紀之久,然而至今為止能夠在室溫下工作的鐵磁半導體材料仍未被實驗發現。此外,如何兼容鐵磁半導體材料與當前半導體工業中使用的傳統半導體材料也成為了一個亟待解決的實際問題。

闞二軍教授團隊多年來致力于揭示磁性的物理本質,尋找可實用的高溫鐵磁材料,并已在鐵磁鐵電半導體研究領域獲得了多項研究成果(Phys. Rev. Lett, 2018, 120, 147601; Nano Letters, 2015,15,8277; Nano Letters, 2016, 16, 8015; J. Am. Chem. Soc, 2012,134,5718)。在近期的研究工作中(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11519),團隊提出了通過構造二元合金化合物這一普適性的方法來提高鐵磁半導體的居里溫度至室溫以上。而在這一最新的研究工作中,團隊再次提出了一個實現高溫鐵磁半導體的開創性思路。

傳統的鐵磁半導體材料均為八面體晶體結構,即其中的磁性過渡金屬原子均位于6個配位非金屬原子構成的八面體的中心。而闞二軍教授團隊在研究中發現,這樣的晶體結構實際上通常會導致過渡金屬離子之間產生較強的反鐵磁直接交換作用,因而不利于實現強鐵磁耦合。而對于另一類也很常見的晶體結構,即四面體晶體結構,如zinc-blende構型的ZnO,其中過渡金屬原子位于4個配位非金屬原子構成的四面體的中心。他們借助緊束縛模型分析發現,這類晶體結構的特殊的軌道對稱性使得其固有的反鐵磁直接交換作用與八面體晶體相較而言顯得十分微弱。因而在這類四面體鐵磁半導體中可能具有比傳統的八面體鐵磁半導體更強的鐵磁耦合。根據這一全新的思路,他們理論預言了一系列的四面體本征鐵磁半導體材料,其中zinc-blende構型的CrC鐵磁半導體更是具有高達1000K以上的居里溫度。更有趣的是,這類材料與傳統半導體如GaNZnO具有十分相似的晶體結構,因此可以通過分子束外延生長的方法直接在這些半導體的表面合成,形成鐵磁半導體/普通半導體的異質結構,能夠很好地兼容于當前廣泛使用的半導體器件如CMOS器件。他們的這一發現將大大推動室溫鐵磁半導體的理論和應用研究進程。

該工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金以及中央高校基本科研業務費專項資金的支持。

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