2022-12-08 | 科研部 南科大林君浩课题组在新型二维材料异质结的制备及其磁学、光学特性的研究中取得系列进展

近日, 南方科技大学物理系副教授林君浩课题组与国内外研究团队合作，围绕二维功能性异质结的制备与结构物性的构效关系，在二维功能性异质结的磁学和光学性质中取得系列研究进展，相关成果分别发表在期刊Advanced Functional Materials和ACS Nano上。

二维异质结体系由于其界面耦合作用与独特的电子杂化、层间激子以及扭转效应相关而受到广泛关注。在原子尺度上理解二维异质结体系中结构耦合与物性之间的构效关系，是深入理解其理化性质及推动器件研发的关键。过渡金属二卤代化合物(TMDs)具有广泛的电子性质选择和无悬垂键的层状表面，为垂直和横向异质结构集成提供了极大的灵活性，为二维异质结的构建提供了理想的研究平台。新兴二维磁性异质结在自旋电子学中有重要的应用，在二维异质结中通过操作晶格结构实现内禀磁矩的调控，这对于磁相工程的发展至关重要。自插层TMDs (Ta_xS_y, Ta_xSe_y, Cr_xTe_y等)，由自身的金属原子插入到其范德华(vdW)间隙中构成。插层原子的空间分布和取向对电子结构产生了一定的影响，并引入了丰富的物理化学性质。基于自插层TMDs体系的自组装磁性异质结，研究人员有望发现更多迷人的多相耦合行为。

有鉴于此，林君浩研究团队以二碲化铬(CrTe₂)为骨架，通过操纵vdW晶格层间的自插层Cr原子的排布，构建不同组分Cr_xTe_y的横向和垂直磁性异质结。以Cr₂Te₃和Cr₅Te₈水平异质结为典型，通过磁光克尔测量，实现其在外场磁激励依赖的磁矩控制，磁滞回线表现出具有两次自旋翻转的阶梯状特征，其居里温度分布高达150和210 K。高分辨扫描透射电子显微镜和第一性原理计算揭示了插层Cr原子在相边界的排列规律：保持短程有序的两相混杂，允许降低晶体场劈裂相关的能量，从而使得两个磁相表现出磁翻转作用的解耦行为。基于以上结果，研究团队最终提出了一种通过操纵Cr_xTe_y晶格中插层Cr原子的分布，调控体系内禀磁序的机制，为二维磁异质结的磁相工程的磁序调制提供了全新的自由度。

相关论文以“Self-Intercalated Magnetic Heterostructures in 2D Chromium Telluride”为题，发表在期刊Advanced Functional Materials上，并被选为该杂志的当期封面（backcover）。南方科技大学物理系博士生牛康迪、澳门大学博士生邱国涛为论文第一作者，澳门大学蔡永青教授和松山湖材料实验室韩梦娇副研究员为论文的共同通讯作者，林君浩为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图1. Cr₂Te₃和Cr₅Te₈水平异质结的电子衍射表征和磁光克尔测量

此外，对于大多数二维TMDs材料，相同元素的不同相结构之间表现出截然不同的物性。其中，MoTe₂因其半导体的2H相和金属性的1T’相之间具有相近的形成能（30meV/Unit cell ）而备受关注。基于2H-1T’ MoTe₂同质异相的范德华双层堆叠结构（vdWHs），由于具有无缝均质半导体-金属耦合界面，其在光电子领域的应用前景非常广阔。然而，现有的vdWHs制备方法步骤复杂，缺乏精确的厚度控制能力，并且存在界面污染的风险。

林君浩团队开发了基于化学气相沉积（CVD）的一步生长方法，该方法通过精确操纵金属氧化物与NaCl的比值和反应温度来调控两相重叠的生长窗口，实现双分子层2H-1T’MoTe₂范德华异的生长。值得注意的是，MoTe₂对氧气敏感，在空气环境下结构会快速瓦解，而课题组独特的手套箱互联系统(GIS)为其合成和表征提供了全方位的惰性氛围保护。通过原子级分辨的低压透射电子显微成像，精确确定出MoTe₂两相的堆叠序。傅里叶反变化中倒空间的频域信号揭示了上层2H相的晶格结构不仅具有外延特性，而且还发生了约5%的晶格畸变。这是由于下层1T’相晶格的微小匹配度失调所导致的。结合角度分辨的偏振拉曼光谱和第一性原理计算，证实了2H-1T’ MoTe₂双层异质结构中晶格失配的延展特性，对2H和1T’单层之间的层间耦合造成影响，导致了层间振动模式的混合共振。

相关论文以“One-Step Growth of Bilayer 2H-1T’ MoTe₂van der Waals Heterostructures withInterlayer-Coupled Resonant PhononVibration”为题，发表在期刊ACS Nano上。南方科技大学物理系博士生郭增龙、中科院金属所博士生王磊为论文第一作者，中科院金属所研究员陈星秋、清华大学深圳国际研究生院教授刘碧录为论文的共同通讯作者，林君浩为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图2. 双层2H−1T’相MoTe₂异质结的原子结构表征

以上两项工作的开展和完成得到国家自然科学基金、广东省科技厅国际合作创新领域、“珠江人才计划”创新创业团队、深圳市高层次人才团队、高校稳定支持等项目以及南方科技大学皮米中心的大力支持。

论文链接：

1、https://doi.org/10.1002/adfm.202208528 

2、https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04664 

供稿：物理系

通讯员：许馨文

主图：丘妍

编辑：朱增光