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阚二军、邓开明教授课题组在《美国化学会志》发表论文

2019-08-07 08:40:54来源:理学院作者:编辑:宣传部管理阅读:67设置

近日,我校阚二军、邓开明教授在国际顶尖期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上发表了题为“Ultra-high-temperature Ferromagnetism in Intrinsic Tetrahedral Semiconductors”的研究论文(论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b06452),博士生黄呈熙为该论文第一作者。《美国化学会志》由美国化学会出版,为物理化学、材料化学及相关领域的顶级期刊。

铁磁半导体集合了传统铁磁材料和半导体材料的优点于一体,因而对于构建未来低能耗、高性能和多功能的自旋电子学器件如隧穿磁阻传感器、自旋场效应晶体管、磁电容、磁随机存储器及量子计算/通信器件具有重要意义。对铁磁半导体的研究已持续达半个世纪之久,然而至今为止能够在室温下工作的铁磁半导体材料仍未被实验发现。此外,如何兼容铁磁半导体材料与当前半导体工业中使用的传统半导体材料也成为了一个亟待解决的实际问题。

阚二军教授团队多年来致力于揭示磁性的物理本质,寻找可实用的高温铁磁材料,并已在铁磁铁电半导体研究领域获得了多项研究成果(Phys. Rev. Lett, 2018, 120, 147601; Nano Letters, 2015,15,8277; Nano Letters, 2016, 16, 8015; J. Am. Chem. Soc, 2012,134,5718)。在近期的研究工作中(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11519),团队提出了通过构造二元合金化合物这一普适性的方法来提高铁磁半导体的居里温度至室温以上。而在这一最新的研究工作中,团队再次提出了一个实现高温铁磁半导体的开创性思路。

传统的铁磁半导体材料均为八面体晶体结构,即其中的磁性过渡金属原子均位于6个配位非金属原子构成的八面体的中心。而阚二军教授团队在研究中发现,这样的晶体结构实际上通常会导致过渡金属离子之间产生较强的反铁磁直接交换作用,因而不利于实现强铁磁耦合。而对于另一类也很常见的晶体结构,即四面体晶体结构,如zinc-blende构型的ZnO,其中过渡金属原子位于4个配位非金属原子构成的四面体的中心。他们借助紧束缚模型分析发现,这类晶体结构的特殊的轨道对称性使得其固有的反铁磁直接交换作用与八面体晶体相较而言显得十分微弱。因而在这类四面体铁磁半导体中可能具有比传统的八面体铁磁半导体更强的铁磁耦合。根据这一全新的思路,他们理论预言了一系列的四面体本征铁磁半导体材料,其中zinc-blende构型的CrC铁磁半导体更是具有高达1000K以上的居里温度。更有趣的是,这类材料与传统半导体如GaNZnO具有十分相似的晶体结构,因此可以通过分子束外延生长的方法直接在这些半导体的表面合成,形成铁磁半导体/普通半导体的异质结构,能够很好地兼容于当前广泛使用的半导体器件如CMOS器件。他们的这一发现将大大推动室温铁磁半导体的理论和应用研究进程。

该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

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