半导体所二维半导体磁性掺杂研究取得进展

近年来，二维范德华材料如石墨烯、二硫化钼等由于其独特的结构、物理特性和光电性能而被广泛研究。在二维材料的研究领域中，磁性二维材料具有更丰富的物理图像，并在未来的自旋电子学中有重要的潜在应用，越来越受到人们的关注。掺杂是实现二维半导体能带工程的重要手段，如果在二维半导体材料中掺杂磁性原子，则这些材料可能在保持原有半导体光电特性的同时具有磁性。近日，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验研究员魏钟鸣、李京波带领的科研团队，在铁掺杂二维硫化锡(Fe-SnS2)晶体的光、电和磁性研究方面取得新进展。

硫化锡(SnS2)是一种光电性能优异的二维范德华半导体材料，也是目前报道的光电响应时间最快的二维半导体材料之一。该材料无毒、环境友好，含量较丰富而且易于制备。该研究团队通过用传统的化学气相输运法摸索生长条件，获得不同掺杂浓度的高质量的Fe-SnS2单晶，然后通过机械剥离法获得二维Fe-SnS2纳米片。扫描透射电子显微镜(STEM)结果表明，Fe原子是替位掺杂在Sn原子的位置，并且均匀分布。通过生长条件的调控，结合X射线光电子能谱(XPS)分析，可以获得一系列不同的晶体，铁的掺杂浓度分别为2.1%、1.5%、1.1%。单层Fe0.021Sn0.979S2的场效应晶体管测试表明该材料是n型，开关比超过106，同时迁移率为8.15cm2V-1s-1，光响应度为206mAW-1，显示了良好的光电性能。

单晶片磁性测试表明，SnS2是抗磁性的，Fe0.021Sn0.979S2和Fe0.015Sn0.985S2具有铁磁性，而Fe0.011Sn0.989S2显示出顺磁性。实验测得Fe0.021Sn0.979S2的居里温度为31K。当温度为2K，外磁场沿垂直c轴和平行c轴方向时可以获得不一样的磁性，即强烈的磁各向异性。理论计算表明，Fe-SnS2的磁性来源于Fe原子与相邻S原子的反铁磁耦合，而相邻Fe原子间是铁磁耦合，这样在这种磁性原子掺杂材料中形成了长程铁磁性。该研究表明铁掺杂硫化锡在未来的纳米电子学、磁学和光电领域有潜在的应用。

相关研究成果发表在Nature Communications上。研究工作得到中科院“百人计划”和国家自然科学基金委优秀青年科学基金、面上项目的资助。

半导体所二维半导体的磁性掺杂研究取得进展