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吴兴龙教授课题组在半导体b-FeSi2纳米晶强室温铁磁性研究方面取得重要进展
发布人:佚名 信息来源:本站原创  发布时间:2015年09月14日 点击数量:



    最近我院吴兴龙教授课题组在半导体b-FeSi2纳米晶强室温铁磁性研究方面取得重要进展。研究成果以“Strong Facet-Induced and Light-Controlled Room-Temperature Ferromagnetism in Semiconducting β‑FeSi2 Nanocubes”为题在线发表于2015年8月24日J. Am. Chem. Soc.上(http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/jacs.5b06507),论文第一作者是硕士研究生何志强同学,通讯作者为吴兴龙教授,这项工作的理论计算由熊诗杰教授完成。
    半导体材料利于实现自旋器件的集成制造,因此建立在半导体材料基础上的自旋电子学一直是当前研究的热点,其主要目标之一是探索强、室温的磁性半导体材料。对于掺杂的 Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体,其居里温度低于室温,而对于宽禁带磁性半导体,一些报道表明其居里温度可高于室温。但磁性杂质的固溶度低,仅展示较弱的磁性,且结果的重复性差,磁性机制不确定。因此获得具有强、稳定的室温铁磁性半导体材料具有重要的学术和应用价值,也成为了当前面临的一大挑战。
b-FeSi2作为一种环境友好的半导体材料,在光电和光伏应用方面已经吸引了广泛的研究兴趣。近期研究表明,不同形貌的b- FeSi2磁性也有显著的差异。这个工作中,吴兴龙教授课题组通过简单的一步化学气相沉积法,合成了具有两个{100}面和四个{011}侧面的b- FeSi2纳米立方体颗粒。实验测量表明,该立方体颗粒具有高达15 emu/g的饱和磁化强度以及大约800K的居里温度,谱学分析显示了该材料不包含杂质相,因此,成功实现了强室温铁磁性半导体材料的合成。进一步的磁性测量显示了磁性来源于b-FeSi2相,且和晶面取向及颗粒尺寸有明显的依赖关系。第一性原理计算,确定了{100}和{011}两组晶面的自旋组态,显示了表面铁原子具有较大的磁矩并呈现出铁磁排列,这些特定的表面在费米能级附近引入了自旋向下的部分占据带以及自旋向上的空带,表面铁原子层附近的局域磁矩与表面态巡游电子的相互作用是强铁磁性的起源。此外,b-FeSi2颗粒的磁性对光有灵敏的响应,光照能够有效地改变磁性,这为材料在自旋电子学方面的应用提供了更多的可能。
立方体形貌b-FeSi2展示的磁性特性为其他非磁半导体材料,通过暴露特定晶面从而引入磁性提供了有益启示,该材料集表面铁磁性、半导体性以及自旋极化特性于一身,是开发半导体自旋电子器件的上选材料,对半导体自旋电子学的应用发展具有很好的促进作用。该工作得到了科技部“973”项目和国家自然科学基金支持。 (沈剑沧供稿)

   

图1 立方体形貌的b-FeSi2颗粒和形貌及尺寸依赖的室温强的铁磁性
 
图2 室温下立方体形貌b-FeSi2颗粒光照前后的M-H曲线
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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