CVD法制备二维Cr2S3纳米片及其磁性调控研究

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原子薄的二维材料由于具有独特的物理和化学性质,得到了广泛的研究和快速的发展,并被应用于电子学、光电子学和自旋电子学等领域。其中二维磁性材料因其原子级厚度、本征长程磁有序等优势,有望解决三维铁磁纳米器件集成困难和自旋注入效率低等问题,在未来的自旋电子器件中具有重要的应用前景。目前报道的二维磁性材料如Cr I3、Cr2Ge2Te6和Fe3Ge Te2等大多为范德华层状结构材料,虽易于从体相中剥离,但产率较低且空气中不稳定,限制了其进一步应用。因此实现具有良好质量和稳定性的二维磁性材料的可控制备显得尤为重要。研究表明,二维磁性材料的磁学性能可通过外加电场、磁场、应力和静电掺杂等多种方式调控,如:通过电子掺杂可实现磁序的转变、居里温度的提高;元素掺杂可实现磁性能包括居里温度、矫顽力、磁各向异性的调控;压力可改变层堆垛构型实现磁相变的转换等。这些研究结果促进了人们对二维磁性材料磁性能的进一步探索及功能化,也为其在自旋电子器件领域的应用提供了巨大可能性。二维Cr2S3是一种典型的非范德华亚铁磁材料,其居里温度(TC)约为120 K。目前对于二维Cr2S3磁性的研究大多限于基本磁性的表征,而成分设计等修饰调控的磁响应尚未揭示。基于此,本论文主要开展了以下几方面的研究:(1)通过熔盐Na Cl辅助化学气相沉积法(CVD)制备二维Cr2S3纳米片,研究了其形貌、厚度随不同生长参数,如源粉的质量和温度、氢气和氩气比例、源粉与基片距离、生长衬底种类等的变化规律。实验结果发现,制备Cr2S3样品的最佳条件为硫源温度200℃,铬源温度750℃,升温时间30 min,保温时间30 min,S粉的质量为0.6 g,Cr Cl3粉的质量为0.025 g,H2:Ar为1:15,衬底位置为离源2 cm处,样品在云母衬底上的生长更容易。磁性测试结果表明,二维Cr2S3是一种低温亚铁磁材料,TC约为120K,面内为磁易轴方向而且在空气中具有良好的磁稳定性。(2)通过改进的一步CVD法成功制备出高质量超薄的二维Cr2SexS3-x纳米片。研究表明通过改变Cr Cl3源温度、Se源温度及氢气和氩气比例等生长参数,可有效调控样品的厚度和尺寸。其中Se原子部分取代了S原子,但并未改变Cr2S3的菱方结构。磁性测试结果表明,Se掺杂后,较薄样品的TC约为100 K,在Cr2Se3和Cr2S3之间;较厚样品的TC约为200 K,可能是由于层与层间的磁耦合作用增强所致。因此,Se掺杂可以有效调控Cr2S3纳米片的磁性,且样品的磁性与厚度有关。(3)通过改进的一步CVD法制备出二维Cr2-xVxS3纳米片,形貌测量表明,765℃为样品生长形貌最优的温度,呈非常规整的六边形;VCl3粉末质量为0.010 g时,样品生长最薄。磁性测试结果表明,V掺杂后,M-T曲线中75 K的最大磁矩点消失,矫顽力显著增大,主要是由于V掺杂后与Cr、S原子发生磁耦合作用所致,表明V掺杂可以有效调控Cr2S3纳米片的磁性能。
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