二维亚铁磁Cr2S3半导体的可控生长和厚度依赖的导电类型转变

近日，北京大学工学院张艳锋（点击查看介绍）课题组在二维磁性半导体材料的可控制备和电学性能研究方面取得了重要研究进展。他们通过对金属前驱体的独特设计和生长温度的精确调控，首次实现了厚度可调二维亚铁磁Cr₂S₃纳米片的可控制备，并揭示了Cr₂S₃纳米片层厚依赖的导电类型转变。

二维磁性材料因其在二维极限下迷人的磁性能以及其在电子学和自旋电子学器件领域诱人的应用前景吸引了全世界众多物理、材料、电子和化学家的研究，近年来逐渐成为相关领域的一颗新星。然而，现有的二维磁性半导体材料大多是采用机械剥离法来制备，获得材料的厚度和畴区尺寸均不易控制，这也严重地限制了二维磁性半导体材料的基础性能研究和实际应用探索。特别是对于二维非层状材料的制备仍存在重要的挑战，由于其在三维方向上具有较强的化学键，传统层状材料的机械剥离法已经难以再适用。因此，发展一种简单普适的材料制备方法是非常必要的。此外，为了实现二维半导体在电子和光电子器件领域的广泛应用，提高电子电路的功能化集成是一个重要的挑战，实现单一材料的导电类型（p/n型）转变是其中关键的一步。

北京大学工学院张艳锋课题组采用化学气相沉积(CVD)方法成功合成了厚度可调（1.9纳米至数十纳米）的亚铁磁Cr₂S₃纳米片。该合成过程的关键因素归因于对金属前驱体的独特设计和生长温度的精确调控：i）使用混合的NaCl和Cr粉末作为金属前驱体可确保适度的Cr前驱体供应；ii）通过对生长温度的精确调控，实现了对成核密度、畴区尺寸和厚度的精确控制。

超薄Cr₂S₃纳米片的制备过程

Cr₂S₃纳米片的层厚控制生长

此外，通过对不同厚度Cr₂S₃纳米片电学性质的研究，揭示了Cr₂S₃纳米片层厚依赖的导电类型转变。即随Cr₂S₃纳米片厚度的增加，导电类型从p型过渡到双极性，再过渡到n型。该研究对二维磁性材料的层厚控制合成，其磁性能的研究以及其在电子器件领域的应用具有重要意义。

Cr₂S₃-FETs的厚度依赖电学性质

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北京大学博士生崔芳芳、新加坡国立大学博士后赵晓旭，通讯作者是北京大学张艳锋研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Controlled Growth and Thickness‐Dependent Conduction‐Type Transition of 2D Ferrimagnetic Cr₂S₃ Semiconductors

Fangfang Cui, Xiaoxu Zhao, Junjie Xu, Bin Tang, Qiuyu Shang, Jianping Shi, Yahuan Huan, Jianhui Liao, Qing Chen, Yanglong Hou, Qing Zhang, Stephen J. Pennycook, Yanfeng Zhang

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201905896

导师介绍

张艳锋

https://www.x-mol.com/university/faculty/18964

课题组主页链接

https://yfzhang.pku.edu.cn/index.htm