研发新型的高温范德华铁磁半导体材料以及研究它与二维拓扑半金属材料的界面耦合效应，对于下一代自旋电子学器件的研究及量子器件的研究至关重要。然而截至目前范德华本征铁磁半导体材料的居里温度大部分远低于室温，相应的全范德华二维半导体铁磁/拓扑半金属材料界面的研究也多局限在低温条件下。近期，华中科技大学材料科学与工程学院量子纳米材料与器件实验室武浩等在常海欣教授指导下，发现了一种本征的范德华层状超室温铁磁半导体材料FeCr0.5Ga1.5Se4（FCGS），其居里温度高达370 K，是目前范德华本征铁磁半导体的最高记录。低温(2 K)和室温（300K）下的饱和磁化强度分别可达8.2 emu/g和2.7 emu/g。此外，FCGS具有与硅相近的带隙（1.2 eV）。将FCGS与石墨烯（Gr）复合，可以发现FCGS和Gr具有非常平整的完美界面，这使得FCGS和石墨烯之间发生了强的近邻耦合效应。通过霍尔效应测试发现，近邻耦合之后石墨烯的载流子类型由电子转变为空穴，并且由非磁性转变为铁磁性，即使在400 K的高温下依然具有明显的反常霍尔特征。
FCGS的结构和物相
FCGS为范德华层状结构，层间距为1.27nm，CVT合成的FCGS很容易通过胶带解理，从c方向观测FCGS的结构为六方排布的晶格结构，（110）面间距为0.19 nm。元素分析显示FCGS中Fe、Cr、Ga、Te的摩尔比约为0.99: 0.51: 1.54: 3.96。磁性元素Fe和Cr的价态均为+3价。
图1.FCGS的范德华层状结构。
FCGS的半导体性
通过光学紫外可见近红外吸收谱和荧光发射谱，得到FCGS的光学带隙均为1.2 eV。在1050 nm近红外光的激发下，FCGS纳米片展现出明显的光电流特征。电学测试表明，FCGS的电阻和温度关系完美的符合Arrhenius Equation，ln R和1/T呈现完美的线性关系，具有很好的半导体特征。
图2. FCGS晶体的半导体特性。
FCGS的室温铁磁性
FCGS的居里温度约370 K，是目前所有范德华本征铁磁半导体中的最高记录。2 K温度下磁化强度可达8.2 emu/g，约0.74 μB/f.u.，300 K时的磁化强度可达2.7 emu/g，约0.24 μB/f.u.。对比面内模式，可以看到面外模式下的热磁曲线强度明显小于面内模式，表明FCGS的面内易磁化特性。
图3. FCGS晶体的室温铁磁性。
FCGS和Gr的室温磁邻近效应
FCGS和石墨烯之间的磁近邻效应可以通过霍尔效应测量。纯石墨烯的霍尔电阻随磁场的变化几乎是负斜率的直线，表明纯的石墨烯载流子类型是电子，并且没有本征铁磁性。FCGS/Gr的霍尔电阻曲线在±1 ~ ±2 T磁场范围内几乎呈现出正斜率的直线，表明石墨烯的载流子类型从电子变成了空穴，也证实了FCGS和石墨烯之间良好的范德华接触界面和强的近邻耦合效应。石墨烯的霍尔电阻曲线呈现倒着的“S”形状的反常霍尔电阻形状，表明在石墨烯中成功引入了铁磁性。
图4. FCGS和Gr的室温磁邻近效应.
论文信息：
Robust Magnetic Proximity Induced Anomalous Hall Effect in a Room Temperature van der Waals Ferromagnetic Semiconductor Based 2D Heterostructure
Hao Wu, Li Yang, Gaojie Zhang, Wen Jin, Bichen Xiao, Wenfeng Zhang, Haixin Chang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202301524
本文来自MaterialsViews，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
