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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。研究團隊利用國儀量子掃描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《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）。

二維鐵磁半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為推進摩爾定律和自旋電子學(xué)在存儲計算中的應(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)體的居里溫度遠低于室溫。盡管已經(jīng)從理論上預(yù)測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了半導(dǎo)體特性。本研究通過綜合采用振動樣品磁強計（VSM）和電學(xué)輸運測試，并結(jié)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(dǎo)體MnS2單層中實驗實現(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)的可擴展合成。這些進展使MnS2成為二維自旋電子學(xué)的模型平臺，并為低維磁性材料的工程設(shè)計提供了一種可行的方法。

圖1 光學(xué)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(guān)鍵支持，彰顯了國產(chǎn)高端科學(xué)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(lǐng)域的發(fā)展，也為自旋電子學(xué)和下一代存儲技術(shù)提供了新的可能性。

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室溫版SNVM

低溫版SNVM

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