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微型化：两原子磁性半导体



自从首款重达一公斤的手机在不充电的情况下工作了半个小时以来，在技术领域，已有许多有用的改进，创新的发明和革命性的发现。随着时间的推移，我们几乎每天使用的小工具的尺寸会变小，但性能会更大。此过程将不可避免地陷入停顿，因为无论新智能手机或平板电脑的设计者需要什么，经典晶体管都无法无限期地减少。因此，您需要抛弃经典，并创建全新的东西，这是由史蒂文斯理工学院（美国）的科学家完成的。今天我们来看一项研究，他们在其中描述了一种原子薄的磁性半导体，它不仅能够利用电子电荷，而且还旋转。是什么构成了新半导体的基础，它是如何产生的，这种革命性的新颖性有多大生产力？科学家的一份报告将告诉我们这一点。走。

学习基础


自旋是基本粒子动量的时刻。反过来，自旋电子学是量子电子学的一个分支，致力于研究固体材料中的自旋电流转移。换句话说，与传统电子学相反，在自旋电子学中，信息的传递是通过自旋电流发生的。

在创建新设备方面，许多科学家试图完全控制自旋极化电荷载流子。实现此目标的一种选择是稀释磁半导体（DMS或稀磁半导体的 DMS）常规的磁性半导体结合了铁磁体和半导体的特性。但是稀释的（或半磁性的半导体）本质上是一种非磁性的半导体，其中嵌入了一定数量的顺磁性原子。例如，将过渡金属如铁（Fe）和锰（Mn）的合金元素掺入非磁性体半导体中，可以使人们获得DMS。

问题是这些DMS尽管显示出出色的结果，但可以在非常特定的温度下工作。例如，在110K下，达到掺杂浓度为5％的锰的稀磁性半导体（Ga，Mn）As的居里点。在-163.15°C。在这方面，科学家正在努力使DMS在室温下工作，以便充分利用其在实验室外的优势。

相对较新的发现是在二维（2D）原子薄层中发现铁磁性，例如CrI 3（三碘化铬）和Cr 2 Ge 2 Te 6（铬锗锗），已将研究重点从块状晶体转移到了二维材料。

单层原子薄半导体形式的过渡金属二卤化碳（DPM）*具有独特的电学和光学特性，直接取决于厚度。但是，PDM单层以其自身形式保持非磁性。
过渡金属二硫化碳（DPM）*是一种薄的单层半导体，由过渡金属和硫属元素（氧，硫，硒，碲，po或肝虫）组成。一层金属原子位于两层硫属元素原子之间，可以用分子式MX2表示（M-金属和X-硫属元素）。
DPM的掺杂，例如钒（V），锰和铁，以及其转变为原子薄的稀磁半导体（RMP），将使我们能够研究二维约束结构中的磁耦合。尽管PDM受溶解度和化学稳定性的限制，但是它们可以一定程度地掺入单层RMP中。然而，在这样的实验中，尚未证明铁磁性。

尽管如此，在石墨烯衬底上生长的Mn：MoS 2单层中掺杂了2％的Mn ，在Re：MoS 2单层中掺杂了1％的（（Re），却证明了在低温下与缺陷相关的发射受到抑制。因此，有机会完全实现单层PDM。

进行了较早的研究，科学家试图完成诸如基于PDM的稀释磁半导体之类的艰巨任务，但是这些工作的结果并不是特别令人满意。

在我们今天正在考虑的研究中，我们仍然成功地以成功取代MoS 2单层中Fe原子的掺杂形式取得了积极的成果。

研究成果


掺杂铁（Fe）是通过化学气相沉积法生长MoS 2和Fe 3 O 4来形成MoS 2单层。 为了消除衬底中局部变形的影响，将MoS 2和Fe：MoS 2单层封装在薄膜hBN（六方氮化硼）中。图像编号1 图像1a显示了Fe：MoS 2单层的SEM（扫描电子显微镜）图像。我们看到了三角形的岛状结构域，这对于类似的MoS 2合成方法来说是非常典型的。 图片1b








图1显示了Fe：MoS 2单层原子结构的示意图（俯视图和侧视图）。由于用Mo位代替Fe原子在热力学上是有利的（即该反应不需要能量发生），因此一个Fe掺杂原子取代了MoS 2晶体中的一个Mo原子。

图1c显示了Fe：MoS 2单层的PREM（透射扫描电子显微镜）图像。与Mo原子（Z = 42）相比，Fe（Z = 26）的原子序数（即电荷数-原子核中的质子数）少40％。由于散射电子的强度取决于原子序数，因此可以预期Fe原子会产生较低的相对强度，这在SEM图像中可以清楚地看到被取代的Fe原子。

相应的强度（1d）的PEM扫描表明强度系数为0.38，与先前的研究一致。

准确确认Fe：MoS 2单层结构域的生长，使用原子力显微镜（AFM）检查样品。这项技术使我们可以确认，在湿法清洁和热退火之后，在Fe：MoS 2的表面掺杂后，没有Fe3O4颗粒残留在其中。

接下来对Fe：MoS 2进行了光学分析，这提供了另外的证据表明Fe已成功地掺入单层晶格中。 Fe：MoS 2的拉曼光谱表明，在E 1 2g = 385.4 cm -1（Mo和S原子平面内的振动）和A 1g = 405.8 cm -1时，MoS 2单层的两种典型特征振动模式（S原子的面外振动）。铁的引入使A 1g的拉曼线宽度从5.8±0.1扩展到7.6±0.1 cm -1，对于E 1 2g的拉曼线宽度从4±0.1扩展到4.5±0.1 cm -1。 通过比较MoS 2和Fe：MoS 2单层在室温下的光致发光光谱，进一步研究了单层晶格的变化。观察到的强烈的光致发光猝灭可以通过额外的非辐射复合通道（捕获态）解释，这是由于掺杂引起的，这证实了铁的成功掺入。 Fe：MoS 2和MoS 单层的光致发光强度随温度的变化

图2分别在1e和1f中示出。


图像编号2

图像2a显示了在较宽的能量范围内（包括带隙模式）的Fe：MoS 2和MoS 2单层的低温光致发光（PL）发射。当比较单层Fe：MoS 2和MoS 2的PL时，在2.28 eV处的发射峰变得很明显。

图表2b显示了Fe：MoS 2的排放对于三个不同的三角形，在2.28 eV的峰值处显示强度的显着变化。这些变化的原因可能是这些不同取向的三角形之间掺杂剂（Fe）浓度的差异。

此外，为了排除与作为电子-空穴跃迁*的来源的Fe相关的局部振动拉曼模，在2.28 eV峰的区域中记录了光谱。在这种情况下，将激光波长从405 nm（2c）调整为532 nm（2d）。
电子-空穴跃迁*是具有不同电导率的两种半导体的接触面积-空穴（正）和电子（负）。
结果比较表明，峰的位置没有变化。这证实了观察到的与铁有关的辐射不是由拉曼振动模式引起的，拉曼振动模式会相对于激光能量移动。


3号图像

为了研究与铁相关的PL峰在2.28 eV处的起源，研究人员使用DFT（密度泛函理论）来计算Fe：MoS 2的电子结构。

将孤立的掺杂Fe杂质建模为5×5 MoS 2超级电池（3a）中的一个Fe原子被Fe原子取代。

在3b上示出了该系统的自旋极化区的结构，其中每个蓝色（或绿色）圆的面积与自旋向上（或向下）以及以Fe原子为中心的半径为半径为1.3的球体的状态的重叠成比例。该图表明，Fe的存在引入了处于MoS 2的未接触带隙内的状态。禁带内的蓝色和绿色大圆圈不重叠这一事实表明，Fe会感应出磁矩。

图3c示出了随着自旋向上的传导带和原始MoS 2的传导带的自发发射速率的比较。 MoS 2初始状态的最低辐射能是〜1.79 eV，对应于2a处的大PL峰，这是由于整个带隙上的弛豫而产生的。 Fe的存在会引入另一个明显的跃迁，能量约为〜2.32 eV，与实验观察到的Fe：MoS 2的PL发射峰在2.28 eV处对应。

PL峰的期望值比3c中所示的要小得多，这是因为价带中由于激光激发而留下的任何空穴都会非常迅速地松弛，而不会辐射到价带的最大值。因此，空穴将在与2.28 eV跃迁相对应的价带状态下花费很少的时间，这使得该跃迁的可能性远小于跃迁至价带最大值的可能性。


图片编号4

在研究的下一阶段，评估了Fe：MoS 2单层的磁性。

已知过渡金属离子络合物的光辐射通常是由于配体和过渡金属之间的电荷转移而产生的。由于选择圆偏振光的自旋的规则，离子中电子的自旋角动量高度依赖于极化。因此，过渡金属离子在以左和右圆极化激发时表现出不相等的光吸收量。

在原子水平上，光吸收与磁感应塞曼位移密切相关。因此，执行MCD光谱学（磁性圆二色性）可以使人们了解材料的磁性。

图表图4a和4b示出了在4K 和在室温下由相反的圆偏振光激发时Fe：MoS 2的PL光谱。与Fe相关的辐射在4 K和RT处均表现出很强的圆二色性*（ρ≈40％）。
圆二色性* -沿左右圆偏振的光的吸收系数之差。
考虑到过渡金属的发光在居里温度以上会失去其圆二色性，在300 K下观察到强二色性表明，Fe：MoS 2在室温下仍是铁磁性的。

图4c显示了与铁有关的MCD发射随在4 K时从-3 T至3 T范围内磁场的增加（蓝点）和减少（红点）而变化的曲线。明显的磁滞回线清楚地表明了与辐射有关的PL辐射的铁磁性质用铁。

图4d显示Fe：MoS 2单层在5 K和室温下均表现出明显的MH 磁滞回线。这证实了合成的单层Fe：MoS 2甚至在300 K时也显示出铁磁性。

总之，科学家使用ODMR方法（光学磁共振检测）对Fe：MoS 2单层进行了磁力测定，以估计室温下铁磁场的局部强度。


图5在5a中显示

了Fe：MoS 2和MoS 2的示例性ODMR光谱。上图5b示出了存储在24个20个不同的点的Fe单层的能量的塞曼分裂的直方图：的MoS 2和MoS未掺杂2分别。统计分析表明，与纯MoS相比，Fe：MoS 2的平均能量分裂增加了〜11 MHz2。从这些数据中发现，样品的局部磁场可以达到0.5±0.1mT。该指标是接近在2D测量铁磁体值CrI 3和CrBr 3在低温下。

Fe：MoS 2在室温下表现出很大的局部磁场这一事实清楚地证明了该材料保留了其磁化强度。因此，可以从数据得出结论：具有嵌入的Fe原子的Fe：MoS 2单层充当了在室温下表现出铁磁性的稀磁半导体。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告以及其他材料。

结语


技术和相关设备的开发通常与使用它们的人的舒适度有关。现代设备正在变得越来越小，但是紧凑性却不高。但是，无论用户如何希望将自己喜欢的小工具的尺寸最小化，此过程都受到这些设备内部尺寸的限制。

该研究的作者指出，经典晶体管不能无限减小，这与逻辑定律和物理定律都一致。但是，如果经典作品不起作用，那么您可以朝着现代性的方向看，这是科学家们所做的。在他们的工作中，他们描述了一种新型的半导体Fe：MoS 2结合了半导体和铁磁体的特性。在其产生过程中，铁原子推动着钼原子，可以说取代了钼原子。此过程的结果是非常薄（厚度仅两个原子），并且是一种柔性材料，可在室温下保持磁化强度。

正如研究人员自己所说，他们的发明与摩尔定律无关，因为它不符合摩尔定律。在他们的工作中，他们描述了不仅使用电子电荷而且还使用电子自旋的能力，这扩展了未来技术的可能性。

根据科学家的说法，未来设备的基础是灵活，轻便和透明的，这可能是对将要制造它们的材料特性的完全理解和控制。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。:)

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