孙瑞锦：VS2基超晶格中由面内应力诱导的本征铁磁性【CC, 2023】

发布时间：2023-08-23       阅读：8次

过渡金属二硫化物（TMDs）是一类具有MX2（M = 金属，X = 硫族元素）通用化学式的材料，属于层状范德华（vdW）材料的大家族。由于其丰富的性质，TMDs在基础物理现象的研究和实际应用方面引起了广泛的研究。凭借其可调节的晶体结构，尤其是M和X位置上高度可调的化学组成，TMDs可以展现丰富的电子功能特性，例如光电子和发光特性、电荷密度波和超导性，以及具有可控的谷自由度的谷电子学。然而，这个家族一直缺少一个关键的成员：铁磁材料。迄今为止，在基于TMDs的材料中成功诱导体积铁磁性的实验还没有完全取得成功。

为了在TMDs中诱导固有的铁磁性，MX2材料的M位点必须由高自旋态原子占据。唯一能够在高自旋态下满足TMDs化学稳定性和层状结构形成要求的M元素是钒（V）。近期，M. Bonilla等人的研究报告了单层VSe2中室温铁磁态的观测结果【Nat. Nanotechnol, 2018, 13 289–293】。然而，随后有几个类似的实验未能再现单层VSe2中的铁磁性，使得此发现成为争议的焦点。例如，关于单层VSe2的ARPES结果表明，在10 K的温度下不存在交换分裂的电子带和铁磁耦合的V原子【Nano Lett, 2018, 18 4493-4499】。而根据STM/nc-AFM的结果，研究人员称单层VSe2中确实存在铁磁性，但仅限于富含Se缺陷的区域【Adv. Mater. 2020, 32, 2000693】，这表明观察到的铁磁性可能不是本征的。同时有人在理论上提出，在VS2/VSe2单层中施加应力可以稳定固有的铁磁有序，其中随着各向同性应变的增加，磁矩和磁耦合强度迅速增加。鉴于这些矛盾的实验和理论结果，我们旨在制备一种不含缺陷的VX2 (X=S、Se)材料，在这种材料中来回答以上科学问题。

基于以上目的，我们设计并通过低温拓扑化学反应制备了一种基于VS2的超晶格材料：(LiOH)0.1VS2。通过对此超晶格单晶的结构解析和最大熵电荷密度分析，发现了在无缺陷的VS2层中存在一个√3×√7的超结构， 这表明VS2层内被施加了平面内应力。而磁性性质测量表明，在约40 K以下，这种体材料成为一个具有显著磁晶各向异性的铁磁体。进一步的密度泛函理论（DFT）计算也证明了面内应力是铁磁性的起源。本研究的发现预计将为更多基于TMDs的铁磁材料开辟道路，并将有助于更好地理解二维TMDs材料中铁磁性起源。

图1 (LiOH)0.1VS2的晶体结构

图2 (LiOH)0.1VS2的铁磁性起源

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Chemical Communications》上，Ruijin Sun,   Jun Deng, Yuxin Ma, Munan Hao, Xu Chen, Dezhong Meng, Changchun Zhao, Shixuan Du,   Shifeng Jin and Xiaolong Chen, Chem. Commun., 2023, Advance Article.

DOI: https://doi.org/10.1039/D3CC01662E