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MXene磁性材料的性质与应用

已有 4418 次阅读 2020-11-10 15:33 |系统分类:科研笔记

    二维磁性材料是制备超薄磁性纳米器件的关键材料基础。然而Mermin-Wagner理论表明,由于热涨落效应,磁性原子被限制在一个平面内的二维磁性材料的居里温度接近于0 K我们猜想有两层及以上磁性原子的二维结构可能有较高居里温度。基于该假设,我们于2016年详细研究了Cr基双金属MXene:Cr2VC2(OH)2、Cr2VC2F2、Cr2TiC2F2、Cr2TiC2(OH)2的磁性与磁交换作用。Cr2TiC2F2与Cr2TiC2(OH)2是反铁磁结构;Cr2VC2(OH)2, Cr2VC2F2,则是铁磁结构,居里温度达到600K(理论计算值有些偏高)[Yang, J.; Zhou, X.; Luo, X.; Zhang, S.; Chen, L., Tunable electronic and magnetic properties of Cr2M'C2T2 (M' = Ti or V; T=O, OH or F). Applied Physics Letters 2016, 109 (20), 203109.]

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     应用单层Cr2TiC2F2可以设计超薄自旋阀。将单层Cr2TiC2F2置于金电极之间,改变Cr2TiC2F2的磁序从反铁磁到铁磁状态,其电阻会发生明显变化,在1V的偏压下可以达到400%。[Yang, J.; Zhang, S.; Wang, A.; Wang, R.; Wang, C.-K.; Zhang, G.-P.; Chen, L., High magnetoresistance in ultra-thin two-dimensional Cr-based MXenes. Nanoscale 2018, 10, 19492-19497]

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    然而,1V的偏压不太利于微型电子产品的应用。于是,选择居里温度较高的Cr2NO2设计自旋阀。先前的理论计算表明Cr2NO2是居里温度较高的半金属二维磁性材料[Kumar, H.; Frey, N. C.; Dong, L.; Anasori, B.; Gogotsi, Y.; Shenoy, V. B., Tunable Magnetism and Transport Properties in Nitride MXenes. ACS NANO 2017, 11 (8), 7648-7655.]。半金属特性将有利于其自旋阀开关比的提升。

    将两层厚度约为0.4纳米的Cr2NO2二维结构堆积在一起,上下分别与金电极接触,如图一所示。当两层Cr2NO2结构的磁矩方向相同时,在10 mV的偏压下,该体系的电流密度可以达到1.69×1011 A/m2;而当两层Cr2NO2结构的磁矩方向相反时,电流密度只有1.8×109 A/m2。两者相差近百倍,数据储存的效果非常明显。[Yang, J.; Zhang, S.; Li, L.; Wang, A.; Zhong, Z.; Chen, L., Rationally designed high-performance spin-filter based on two-dimensional half-metal Cr2NO2. Matter 2019, 1 (1), 1304-1315.]

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   近期,美国Drexel大学、Lawrence Berkeley国家重点实验室、橡树岭国家重点实验室、中科院物理所、华中科技大学联合制备出二维Cr2TiC2Tx体系,并成功测得其磁性,Cr原子磁矩与理论预测值非常吻合。他们进一步的研究发现这类材料存在磁阻效果[Kanit Hantanasirisakul, B. A., Slavomir Nemsak, James L. Hart,  Jiabin Wu,abd Yizhou Yang, Rajesh V. Chopdekar, Padraic Shafer, Andrew F. May,  Eun Ju Moon, Jun Zhou, Qinghua Zhang, Mitra L. Taheri, Steven J. May and Yury Gogotsi, Evidence of a magnetic transition in atomically thin Cr2TiC2Tx MXene. Nanoscale Horizons 2020.]。

   Cr2VC2(OH)2、Cr2VC2F2、Cr2NO2这几种材料的合成与磁性测试还未得到报导。他们在自旋电子学、磁性纳米器件领域具有重要研究价值。希望有兴趣的同行可以深入探究这类材料的性质与应用。



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