郑州大学许群教授团队利用超临界CO2在硅基衬底上成功制备强磁性CoCl2/Co3O4二维异质结构

随着纳米技术的兴起，磁性纳米材料由于其独特的物理性质，在磁性记录和存储方面显示出了巨大的潜力。过渡金属二卤化物（MX₂）近年来成为二维磁性研究的焦点，同时作为另一种很有前途的材料，Co₃O₄二维纳米材料在气体传感器、锂电池可充电电池、数据存储、催化、磁性半导体和电致变色器件等方面有着广泛的应用。传统的制备二维Co基纳米材料的方法包括溶剂热和气相沉积法，而溶剂热法反应周期长；对于气相技术，其实现过程往往受到前驱体挥发性、沉积速率、粘附效果等限制，种种技术的局限对于制备二维异质结更是一个挑战。

超临界CO₂（SC CO₂）辅助沉积为CVD提供了一种灵活的替代方法，SC CO₂由于其临界温度和临界压力的优势，以及独特的物理化学性质，可提供一个二维（2D）材料制备的理想环境，同时由于其良好的传质能力可促进前驱体的运输，帮助构建二维异质结构。近日，郑州大学的许群教授（点击查看介绍）团队利用SCCO₂，在硅/二氧化硅衬底上成功制备了 CoCl₂/Co₃O₄ 的二维（2D）异质结构，利用高压SC CO₂帮助CoCl₂前驱体形成均匀的薄膜，并将其选择性氧化生成Co₃O₄，研究发现形成的异质结结构，其磁性是纯CoCl₂的3.4倍、纯Co₃O₄的11倍，同时研究结果显示SC CO₂的压力对材料的结构和形貌具有决定性作用。这项工作为制备新型二维磁性材料开辟了一条新途径。

Figure 1. With the help of SC CO₂, CoCl₂/Co₃O₄ heterojunctions were obtained on silicon/silica substrates, and samples were prepared with significantly higher coercivity and saturation magnetization strengths.

Figure 2. a) Spin charge density distribution of CoCl₂. b) Spin charge density distribution of Co₃O₄. c) Spin charge density distribution of CoCl₂/Co₃O₄ heterojunctions. d) Spin-resolved DOS of CoCl₂. e) Spin-resolved DOS of Co₃O₄. f) Spin-resolved DOS of CoCl₂/Co₃O₄.  

为了深入了解 CoCl₂/Co₃O₄ 异质结磁性增强的机理，进一步进行了自旋极化密度泛函理论（DFT）计算。自旋电荷密度的空间分布表明，CoCl₂ 的磁矩为 2.99 μB/Co，Co₃O₄ 的磁矩为 1.00 μB/Co（图2a,b）,二者的 DOS 分析表明，CoCl₂ 的自旋不对称性显著增加（图3d,e）。 CoCl₂/Co₃O₄ 异质结的自旋电荷密度的空间分布（图3c）显示，Co 原子和 Cl 原子的自旋电荷密度显著增加，磁矩达到了 4.12 μB/Co（图3f），DOS 表明 CoCl₂/Co₃O₄ 异质结的自旋分裂程度显著增加，实验结果一致。

相关研究结果发表在Small 上，文章的通讯作者为郑州大学许群教授，郑州大学材料科学与工程学院硕士生张云霄、张迪和博士生高波为共同第一作者。

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）：

2D Heterostructure of CoCl₂/Co₃O₄ Built for Strong Enhanced Magnetism

Yunxiao Zhang, Di Zhang, Bo Gao, Qun Xu

Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202305641

导师介绍

许群

https://www.x-mol.com/university/faculty/35064 

课题组介绍

http://www5.zzu.edu.cn/xuqun/index.htm