科学家发现塑性铁磁半导体

中国科学院
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无机半导体具有丰富可调的功能特性,是构筑电子、能源与信息器件的核心材料。然而,这类材料在室温下通常表现为脆性强,易发生断裂,进而导致灾难性失效。近年来,一些无机半导体材料被陆续发现具有类似金属的良好塑性,颠覆了其本征脆性的传统认知,为发展柔性与可变形电子器件等新兴技术提供了材料支撑。但具有塑性的无机半导体材料种类较少,且其功能特性主要局限于电学、热学和传感,限制了其应用范围。传统的铁磁金属具有良好的延展性/塑性和金属导电特性,而无机铁磁半导体兼具优异的铁磁性和半导体特性,是发展自旋电子学器件的理想材料。但目前,无机铁磁半导体普遍表现为本征脆性,制约了其可加工性,以及其在柔性器件中的应用潜力。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

近期,中国科学院上海硅酸盐研究所等,发现了新型塑性铁磁半导体CrSiTe3晶体。CrSiTe3是层状铁磁半导体材料,研究团队通过自熔剂法生长出块体CrSiTe3单晶。力学性能测试表明,CrSiTe3块体单晶在室温下表现出良好的塑性,沿面内方向可承受高达12%的拉伸应变与15%的弯曲应变,沿面外方向可承受40%的压缩应变,与已报道的典型塑性无机半导体材料相当。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

为揭示其塑性变形机理,研究团队开展了第一性原理计算,发现CrSiTe3的优异塑性源于其Te-Te层间47mJ m-2的滑移能垒、418mJ m-2的解离能,因而层间容易滑移而不引发解离。化学键分析表明,在滑移过程中,层间Te-Te相互作用始终保持一定强度的化学键连接,使材料难以解离。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

磁性测量表明,轧制和弯曲处理后的样品CrSiTe3的居里温度均稳定在34K,且饱和磁化强度和矫顽力也未发生明显变化。蒙特卡洛模拟发现,层间滑移导致AAC堆垛等亚稳态结构形成后,CrSiTe3铁磁性保持稳定,磁各向异性仍沿c轴方向且仅发生微小偏差,材料具有与原始ABC堆垛相近的居里温度(35±1K)。上述结果说明,材料的塑性变形对宏观铁磁性能影响甚微。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

该研究拓展了塑性无机半导体材料的功能特性与应用范畴,并在块体无机半导体中实现了塑性、半导体特性与本征铁磁有序的协同共存,为发展柔性自旋电子器件提供了新的材料支撑。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、上海市等的支持。HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

论文链接HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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(A) 自旋场效应晶体管示意图;(B) 典型非磁/铁磁材料拉伸率—带隙对比图HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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实验和理论上探究塑性变形对CrSiTe3铁磁性质的影响HcJ速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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