在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體技術(shù)正逐漸逼近其物理極限。磁性半導(dǎo)體能夠同時利用電子的電荷和自旋屬性，不僅使信息存儲與處理更高效，還可能提供非易失性的計算能力。針對大多數(shù)磁性半導(dǎo)體磁有序溫度低于室溫，開發(fā)出具有強室溫鐵磁性的半導(dǎo)體材料，是該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)難題。為了解決這一瓶頸問題，研究者通過新的方式發(fā)展磁性半導(dǎo)體，如本征二維磁性半導(dǎo)體和有機磁性半導(dǎo)體。從應(yīng)用的角度看，由于有機磁體室溫磁化強度通常小于1 emu/g，因此擁有高飽和磁化強度和高磁有序溫度的有機磁性半導(dǎo)體非常吸引人。
為了解決室溫弱磁性等瓶頸問題，中國科學(xué)院金屬研究所功能材料與器件研究部研究人員的前期研究 [Kuang QF (曠奇峰等) J. Appl. Phys. 137 (2025) 013908]發(fā)現(xiàn)，采用高自旋Fe3+（S=5/2）完全替換有機-無機磁體(β-Fe2Se3)4[Fe(tepa)] (tepa=四乙烯五胺)空間層中的高自旋Fe2+（S=2），亞鐵磁材料的室溫的飽和磁化強度可以從4 emu/g增加到7.2 emu/g。穆斯堡爾譜學(xué)和第一性原理計算表明，雜化材料晶格內(nèi)高自旋Fe3+和Fe2+的層間和層內(nèi)磁相互作用是二維磁體產(chǎn)生三維長程亞鐵磁有序的原因。而調(diào)控空間層向無機層的電荷摻雜數(shù)量，并通過低自旋Fe2+（S=0）和Fe3+（S=1/2）完全抑制雜化材料中的磁相互作用，成功獲得了具有42K轉(zhuǎn)變溫度的新型β-Fe3Se4基高溫超導(dǎo)材料Fe14Se16(tepa)0.8?[Li D (李達等) J. Mater. Sci. Techn. 198 (2025) 98-110]。
最近，研究人員進一步提出基于無機主體層與有機空間層協(xié)同作用實現(xiàn)磁性與半導(dǎo)體性能共存的研究策略，通過化學(xué)自組裝成功制備出了具有四方晶體結(jié)構(gòu)的二維有機-無機雜化亞鐵磁半導(dǎo)體(β-Fe3Se4)4[Fe(peha)]0.7Fe1.3?(peha=五乙烯六胺)。該磁性半導(dǎo)體納米片是由四方β-Fe3Se4主體層和含有Fe3+和[Fe(peha)]3+的空間層組成，選區(qū)電子衍射結(jié)果證明納米片的單晶結(jié)構(gòu)特征。紫外可見光/光致發(fā)光光譜、電輸運和塞貝克系數(shù)測量表明，這種n型半導(dǎo)體納米片的直接光學(xué)帶隙為2.22 eV，在130-300 K溫度范圍內(nèi)遵循熱激活導(dǎo)電機制(lnρ ∝?T-1)，激活能為62.69 meV；在55-300 K溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出極低的熱導(dǎo)率（κ~0.8-2.5 W m?1 K?1），主要源于無機主體層與有機空間層之間的弱相互作用引發(fā)的軟模振動或強非諧效應(yīng)。磁性測量和穆斯堡爾譜分析證實了半導(dǎo)體納米片中存在長程磁有序。室溫下飽和磁化強度為4.6 emu/g，居里溫度高于519 K，是目前實驗上已報道的有機磁性半導(dǎo)體磁有序溫度的最高值，為進一步開發(fā)室溫自旋電子學(xué)器件奠定了堅實基礎(chǔ)。研究成果以“Two-dimensional hybrid nanosheets towards room-temperature organic ferrimagnetic semiconductor” 為題發(fā)表 [Men XL (門曉玲等) J. Mater. Sci. Techn. 233 (2025) 280-288]，并入選期刊封面故事論文。
本研究由金屬所李達研究員、楊騰研究員和張志東研究員指導(dǎo)。金屬所劉崗研究員、蘭州大學(xué)李志偉教授、西安交通大學(xué)楊森教授和張垠副教授在光譜、穆譜和光磁響應(yīng)等性能測試方面提供重要支持。
該成果得到了國家自然科學(xué)基金項目(51971221，52031014和52371203)資助。
Fe14Se16(peha)0.7納米片的形貌、化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)表征
