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由於二維材料獨特的性質和在下一代自旋電子器件中的潛在應用,近年來引起了人們的廣泛關注。目前,二維材料的研究主要集中在石墨烯、hBN、過渡金屬硫族化物、單元素二維材料和三元材料,它們具有豐富的電學、光學和磁學性質。二維稀土材料,特別是二維稀土硫族化合物(RECs)由於其獨特的4f電子構型和4f-4f躍遷而具有磁性、發光性和電荷密度波等優良性能,但是這些材料的研究還很少。EuS具有獨特的磁性能和光學性能,在自旋電子和發光器件方面具有很大的潛力。然而,單晶2D EuS納米片的可控合成仍然存在重大挑戰。


近日,北京大學侯仰龍教授課題組在《Journal of the American Chemical Society》上發表了題為「Two-Dimensional Wedge-Shaped Magnetic EuS: Insight into the Substrate Step-Guided Epitaxial Synthesis on Sapphire」的論文。採用熔鹽輔助化學氣相沉積法在藍寶石基底上成功地合成了二維楔形鐵磁性EuS。結合理論模擬和深入表徵,系統地提出了取向生長和楔形生長的機理。楔形生長是由雙重作用機制驅動的,其中EuS與基底台階的耦合阻礙了橫向生長,而非層狀EuS本身的強鍵合有利於垂直生長。通過溫度依賴拉曼和PL表徵,納米片呈現出-0.030 cm-1K-1的拉曼溫度係數和隨溫度增加的不常見的帶隙增加。更重要的是,通過低溫磁力顯微鏡,可以在單個樣品中發現磁信號隨厚度的變化,這表明楔形EuS研究厚度依賴磁性質擁有巨大潛力。該工作為二維稀土化合物和楔形化合物的合成提供了新的思路。

本文要點:

圖1 二維EuS納米片的合成與結構表徵。(a) 混合EuBr2和NaCl在藍寶石上合成EuS納米片的CVD裝置的示意圖;(b) 具有匹配晶格常數的藍寶石(0001)和EuS(111);(c) 典型二維EuS納米片的光學圖像;(d) 藍寶石上EuS納米片取向分布直方圖;(e) 具有厚度梯度的EuS納米片的原子力顯微鏡圖和厚度;(f) EuS納米片的XRD圖譜;(g) S2p和(h) Eu4d軌道的XPS光譜。

圖2 EuS納米片的TEM結構表徵。(a) EuS納米片的低倍TEM圖;(b) 高分辨率透射電鏡圖;(c) 相應的SAED圖;(d) EDS;(e,f) EDS元素映射圖。

圖3 楔形EuS生長機制的探究。(a) 具有厚度梯度的正三角形EuS的AFM圖;(b) 放大AFM圖;(c) (a)圖中沿箭頭所示的厚度曲線;(d) (a)項中沿箭頭2、4和5的厚度曲線。箭頭4、5和3之間的角度是30°;(e) (b)圖中沿藍線的台階的橫截面厚度曲線;(f)具有相同厚度梯度方向的EuS納米片的AFM圖;(g) 生長機制模型的示意圖;(h) 三種可能構型的結合能的理論計算。

圖4 理論計算解釋EuS在藍寶石上的取向生長。(a-d) 0°、10°、20°和30°取向的Eu4S8團簇在藍寶石上相應計算的四種構型的吸附能;(e) 吸附能相對於取向角的函數;(f) 在藍寶石(0001)襯底上生長EuS納米片的示意圖。

圖5 EuS納米片的溫度依賴拉曼光譜和PL研究。(a,d) EuS納米片室溫拉曼光譜和PL;(b,e) 與溫度依賴的拉曼光譜和PL光譜;(c,f) 不同溫度下拉曼峰位置和光學帶隙的演變; (g) EuS納米片的歸一化瞬態動力學;(h,i) EuS的DOS及電子能帶結構。
圖6 EuS薄片的磁性表徵和單個納米片的低溫磁力顯微鏡信號。(a)面內磁場和面外磁場下的磁化強度;(b,c) 不同溫度下的磁滯回線;(d) MFM測量示意圖;(e-h) 在1.7 K不同磁場下獲得的MFM圖像 (i)室溫下納米片的AFM圖像;(j-m) 在不同溫度下無磁場的MFM圖像;(n) 從(e)中的標記圓圈中提取的MFM對比度作為磁場的函數;(o) 沿(h)所示箭頭的 MFM對比度隨厚度的變化;(p) 溫度與相應的MFM信號之間的相關性。
北京大學材料科學與工程學院在讀博士生張彪為該論文的第一作者,通訊作者為侯仰龍教授。

作者簡介





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侯仰龍,北京大學博雅特聘教授,皇家化學會會士(FRSC),中國化學會會士(FCCS),國家重點研發計劃納米科技專項首席科學家,磁電功能材料與器件北京市重點實驗室主任。主要從事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在納米生物醫學與能源領域的應用探索研究。發展了單分散磁性納米材料的通用製備方法,探索了磁性納米顆粒在腫瘤等重大疾病的診斷與治療的應用;設計製備了若干納米結構雜化材料用於高性能的二次電池電極等。迄今發表學術論文240餘篇,引用24000餘次,H因子83。申請專利21項,授權15項。2019年獲國家自然科學二等獎1項。榮獲全國創新爭先獎狀、北京茅以升青年科技獎、中國化學會-英國皇家化學會青年化學獎。曾獲國家傑出青年科學基金資助,先後入選教育部長江學者特聘教授、萬人計劃科技創新領軍人才、教育部新世紀優秀人才、全國優秀科技工作者和科睿唯安高被引科學家(2018年--)。在國際和各類雙邊會議上作大會或分會邀請報告80餘次。正主持國家重點研發計劃,國家自然科學基金委重大科研儀器研製、重點項目等。現任Rare Metals副主編,Advanced Science、Advanced Healthcare Materials, Advanced Therapeutics、Science China Materials等期刊國際顧問/編委。

課題組主頁:http://nbm.coe.pku.edu.cn/

Zhang, B.; Yun, C.; Wu, H.; Zhao, Z.; Zeng, Y.; Liang, D.; Shen, T.; Zhang, J.; Huang, X.; Song, J.; Xu, J.; Zhang, Q.; Tan, P.-H.; Gao, S.; Hou, Y. Two-Dimensional Wedge-Shaped Magnetic EuS: Insight into the Substrate Step-Guided Epitaxial Synthesis on Sapphire. J Am Chem Soc 2022

原文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c06023

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