國(guó)儀量子掃描NV探針顯微鏡(SNVM)助力揭示半導(dǎo)體MnS₂中室溫鐵磁性

近日，南京理工大學(xué)闞二軍教授、萬逸副教授與中科院半導(dǎo)體所王開友教授課題組在二維鐵磁半導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得重要突破。研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)儀量子掃描NV探針顯微鏡（SNVM）成功揭示了半導(dǎo)體MnS2的室溫鐵磁性，相關(guān)成果以“Experimental Evidence of Room-Temperature Ferromagnetism in Semiconducting MnS2”為題，發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)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(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為推進(jìn)摩爾定律和自旋電子學(xué)在存儲(chǔ)計(jì)算中的應(yīng)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(dǎo)體的居里溫度遠(yuǎn)低于室溫。盡管已經(jīng)從理論上預(yù)測(cè)了大量的二維室溫鐵磁半導(dǎo)體，但在制備具有有序結(jié)構(gòu)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(xué)氣相沉積（CVD）策略，作者在ReS2模板內(nèi)合成了層狀MnS2微結(jié)構(gòu)。高分辨率原子結(jié)構(gòu)表征表明，單層MnS2微結(jié)構(gòu)很好地結(jié)晶為畸變的T相。觀察到的光學(xué)帶隙和載流子遷移率隨溫度的增加證實(shí)了半導(dǎo)體特性。本研究通過綜合采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）和電學(xué)輸運(yùn)測(cè)試，并結(jié)合國(guó)儀量子的SNVM進(jìn)行微區(qū)磁成像，證實(shí)了MnS2室溫鐵磁性。電輸運(yùn)特性揭示了單層樣品中存在反常的霍爾電阻成分。理論計(jì)算表明，室溫鐵磁性源于Mn-Mn短程相互作用。這項(xiàng)研究觀察不僅提供了層狀MnS2本征室溫鐵磁性的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，還為二維亞穩(wěn)態(tài)功能材料的生長(zhǎng)提供了一種創(chuàng)新策略。
 

總之，這項(xiàng)研究工作取得了兩個(gè)突破：(i) 在二維半導(dǎo)體MnS2單層中實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了本征室溫鐵磁性，解決了半導(dǎo)體-磁性沖突；(ii) 模板輔助CVD策略能夠?qū)崿F(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)鐵磁微結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展合成。這些進(jìn)展使MnS2成為二維自旋電子學(xué)的模型平臺(tái)，并為低維磁性材料的工程設(shè)計(jì)提供了一種可行的方法。

圖1 光學(xué)和磁性測(cè)量

圖2 微區(qū)磁成像

圖3 電輸運(yùn)測(cè)量

國(guó)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(guān)鍵支持，彰顯了國(guó)產(chǎn)高端科學(xué)儀器在前沿研究中的重要作用。這項(xiàng)突破性工作不僅推動(dòng)了二維材料領(lǐng)域的發(fā)展，也為自旋電子學(xué)和下一代存儲(chǔ)技術(shù)提供了新的可能性。

誠(chéng)邀體驗(yàn) 納米級(jí)磁成像系統(tǒng)

國(guó)儀量子誠(chéng)邀您體驗(yàn)掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——全球領(lǐng)先的納米級(jí)磁場(chǎng)成像系統(tǒng)，溫度1.8~300 K，矢量磁場(chǎng)9/1/1 T，磁空間分辨率達(dá)10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz1/2。

SNVM是一款結(jié)合了金剛石氮 - 空位色心（NV）光探測(cè)磁共振（ODMR）技術(shù)和原子力顯微鏡（AFM）掃描成像技術(shù)的量子精密測(cè)量?jī)x器。具有高空間分辨率、高靈敏度磁成像、多功能檢測(cè)能力和非侵入式檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在磁疇表征、反鐵磁成像、超導(dǎo)表征、二維磁性材料研究等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。