國儀量子掃描NV探針顯微鏡(SNVM)助力揭示半導體MnS₂中室溫鐵磁性

近日，南京理工大學闞二軍教授、萬逸副教授與中科院半導體所王開友教授課題組在二維鐵磁半導體研究領域取得重要突破。研究團隊利用國儀量子掃描NV探針顯微鏡（SNVM）成功揭示了半導體MnS2的室溫鐵磁性，相關成果以“Experimental Evidence of Room-Temperature Ferromagnetism in Semiconducting MnS2”為題，發(fā)表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。

文章鏈接：ttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c10107

二維鐵磁半導體的發(fā)現(xiàn)為推進摩爾定律和自旋電子學在存儲計算中的應用帶來了巨大的希望，這引發(fā)了人們的極大興趣。然而，所探索的二維鐵磁半導體的居里溫度遠低于室溫。盡管已經(jīng)從理論上預測了大量的二維室溫鐵磁半導體，但在制備具有有序結構和高穩(wěn)定性的亞穩(wěn)態(tài)材料方面仍存在巨大挑戰(zhàn)。

在此研究中，利用一種新的模板輔助化學氣相沉積（CVD）策略，作者在ReS2模板內(nèi)合成了層狀MnS2微結構。高分辨率原子結構表征表明，單層MnS2微結構很好地結晶為畸變的T相。觀察到的光學帶隙和載流子遷移率隨溫度的增加證實了半導體特性。本研究通過綜合采用振動樣品磁強計（VSM）和電學輸運測試，并結合國儀量子的SNVM進行微區(qū)磁成像，證實了MnS2室溫鐵磁性。電輸運特性揭示了單層樣品中存在反常的霍爾電阻成分。理論計算表明，室溫鐵磁性源于Mn-Mn短程相互作用。這項研究觀察不僅提供了層狀MnS2本征室溫鐵磁性的實驗證實，還為二維亞穩(wěn)態(tài)功能材料的生長提供了一種創(chuàng)新策略。
 

總之，這項研究工作取得了兩個突破：(i) 在二維半導體MnS2單層中實驗實現(xiàn)了本征室溫鐵磁性，解決了半導體-磁性沖突；(ii) 模板輔助CVD策略能夠實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)鐵磁微結構的可擴展合成。這些進展使MnS2成為二維自旋電子學的模型平臺，并為低維磁性材料的工程設計提供了一種可行的方法。

圖1 光學和磁性測量

圖2 微區(qū)磁成像

圖3 電輸運測量

國儀量子掃描NV探針顯微鏡在此次研究中的高精度微區(qū)磁成像能力，為揭示MnS2的磁性特性提供了關鍵支持，彰顯了國產(chǎn)高端科學儀器在前沿研究中的重要作用。這項突破性工作不僅推動了二維材料領域的發(fā)展，也為自旋電子學和下一代存儲技術提供了新的可能性。

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SNVM是一款結合了金剛石氮 - 空位色心（NV）光探測磁共振（ODMR）技術和原子力顯微鏡（AFM）掃描成像技術的量子精密測量儀器。具有高空間分辨率、高靈敏度磁成像、多功能檢測能力和非侵入式檢測等優(yōu)勢，在磁疇表征、反鐵磁成像、超導表征、二維磁性材料研究等領域中具有重要應用。