世界上最薄的磁鐵：僅有一個原子厚度，可在室溫工作
ScienceAI發表於2021-07-27
儲存裝置的磁性元件通常由磁性薄膜製成。在原子層面，這些磁性薄膜仍然是三維——成百上千個原子的厚度。現有的二維磁體因室溫下化學不穩定而失去磁性，限制了該技術的實用性。開發在室溫下執行的超薄磁鐵可能會帶來計算和電子領域的新應用。近日，來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校和中國南京大學的研究團隊開發了一種超薄磁體——只有一個原子的厚度，能夠在室溫下工作。可應用於下一代儲存器、計算、自旋電子學和量子物理學等方面。「我們的二維磁體不僅是第一個在室溫或更高溫度下執行的磁體，而且還是第一個達到真正二維極限的磁體：它像單個原子一樣薄。」通訊作者、加州大學材料科學與工程副教授姚傑（Jie Yao）說。「這一發現令人興奮，因為它不僅使室溫下的二維磁性成為可能，而且還揭示了一種實現二維磁性材料的新機制。」該研究的第一作者陳銳（Rui Chen）補充道。該研究以「Tunable room-temperature ferromagnetism in Co-doped two-dimensional van der Waals ZnO」為題發表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜誌上。幾十年來，研究人員一直在尋找製造更薄、更小的二維磁體的方法，從而使資料能夠以更高的密度儲存。此前在二維磁性材料領域取得的成果帶來了可喜的成果。2017年，他們關注了對一種名為三碘化鉻的鐵磁性材料的研究，科學家發現這種材料可以被削成一個原子厚的單層，同時保持其磁性。但是這些早期的 2D 磁體會失去磁性並在室溫下變得化學不穩定。最先進的二維磁體需要非常低的溫度才能發揮作用。但出於實際原因，資料中心需要在室溫下執行。石墨 ZnO (gZnO) 被認為是探索 2D 材料中自旋耦合的理想模型系統。gZnO 是一種層狀寬頻隙氧化物材料，具有類似石墨烯的蜂窩結構和很強的空氣穩定性。由於 Co 原子的無障礙摻入和這些置換 Co 離子之間非常強的糾纏，gZnO 已被預測為有前途的稀釋磁性氧化物 (DMO) 。現在，該研究團隊證明了Co 摻雜的類石墨烯氧化鋅——Zn1-xCoxO (gZCO）的室溫鐵磁性。透過 Co 原子的摻雜，成功地將磁性引入了非磁性 2D 範德華晶體 gZnO。透過磁光克爾效應（MOKE）顯微鏡、超導量子干涉儀和 X 射線磁圓二色性測量，證明了在室溫及更高溫度下這種奇異材料系統中的自發磁化。該發現為室溫下二維鐵磁性開闢了另一條途徑。
Co摻雜單層gZnO的晶體結構示意圖。（來源：論文）研究人員利用氧化石墨烯、鋅和鈷製造出混合溶液，隨後將其烘烤幾小時，最後燒掉石墨烯，得到了被稱為摻鈷範德華氧化鋅磁鐵的新型二維磁體。透過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）驗證了 gZCO 奈米片的形態。AFM 對映證明了厚度為 2.8 Å 的單層。值得注意的是，這種原子級光滑的表面不含奈米顆粒，明確表明不存在磁性汙染物，例如成簇的 Co、鈷氧化物或外在汙染物。
SEM (左) 和 AFM（右） 在 100 nm SiO2/Si 襯底上的單層 gZCO 片的原子均勻和乾淨形貌。（來源：論文）以上證據表明他們的二維材料確實只有一個原子厚，研究人員繼續進行下一個困擾研究人員多年的挑戰：演示一種在室溫下成功執行的二維磁鐵。研究人員使用透射電子顯微鏡對二維材料的晶體結構和化學成分進行了成像。研究人員發現可以透過改變材料中鈷的含量來調整磁性。濃度為 5% 或 6% 的鈷原子會產生一個相對較弱的磁體，而將濃度提高到 12% 會產生一個非常強的磁體。將濃度提高到 15%，就會出現科學家們所說的「frustration」的量子狀態，在這種狀態下，材料中相互衝突的磁態會相互競爭。與之前的二維磁鐵不同，研究人員發現，新的二維磁鐵不僅可以在室溫下工作，而且可以在 100 攝氏度下工作。其獨特的機制要歸功於氧化鋅中的自由電子。可應用於下一代儲存器、計算、自旋電子學和量子物理學陳銳說，「氧化鋅的自由電子可以作為中間體，確保新二維器件中的磁性鈷原子繼續指向同一方向，從而即使在主體（在這種情況下是半導體氧化鋅）是非磁性材料。」 將金屬和半導體中的自由電子的運動與水流中的水分子流動進行比較。「自由電子是電流的組成部分，它們以相同的方向移動以導電。」 姚傑補充說。該團隊的二維磁體的厚度只有一張紙的百萬分之一，可以彎曲成幾乎任何形狀。該技術的一個有前途的應用在於資料儲存。該二維磁鐵可以形成超緊湊的自旋電子器件，以設計電子的自旋。姚傑說：「這是科學家首次製造出能在室溫下保持化學穩定性的二維磁鐵。這一發現令人興奮，因為它不僅使二維磁性在室溫下成為可能，而且還揭示了實現二維磁性材料的一種新機制。首次揭示了鈷磁性原子如何透過複雜的二維網路在『長』距離上相互作用。」研究人員表示，他們的發現也將為研究量子物理學提供新的機會。「我們的原子薄磁鐵為探索量子世界提供了一個最佳平臺。工業界可以藉助我們的方法和材料，以更低成本進行大規模生產。」