自2004年石墨烯被發現以來，對二維材料的研究開始進入科學家的視野。迄今為止，科研人員已經發現了包括絕緣體、半導體、金屬等至少幾十種性質截然不同的二維材料。日前，復旦大學物理學系張遠波教授團隊在二維磁性材料領域取得重大突破——發現了一種新型的磁性二維材料Fe3GeTe2，為研究二維巡遊磁性提供了一個全新的理想體系。此外，通過鋰離子插層調控，研究團隊在Fe3GeTe2薄層中獲得了室溫以上的鐵磁轉變溫度，為未來基於這種材料研發超高密度、柵壓可調且室溫可用的磁電子學器件提供了新的可能性。
10月22日（倫敦時間），該研究以《二維鐵鍺碲中柵壓調控的室溫鐵磁性》（“Gate-tunable Room-temperature Ferromagnetism in Two-dimensional Fe3GeTe2”）為題發表於國際頂級學術期刊《自然》（Nature）。復旦大學物理學系教授張遠波為論文通訊作者，物理學系2016級博士生鄧雨君、博士後於逸駿為論文的共同第一作者。
一種新材料：新型的磁性二維材料Fe3GeTe2
伴隨著單原子層的石墨材料——石墨烯被成功分離出來，二維材料的概念被正式提出來。僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。作為二維材料的石墨烯，與之對應的母體材料就是石墨，即二維材料依靠層間範德瓦爾斯相互作用堆積而成的層狀材料。自上世紀70年代起，層狀材料就由於電荷密度波、超導、鋰電池等領域的研究頗受關注。把層狀材料中的最小單元——一個單層——製備出來進行研究，就好比我們打開一本書仔細研讀其中的某一頁。對於二維材料的深入研究，不僅很有可能幫助我們揭開這些層狀母體材料的謎團，還可能使我們發現蘊藏於其中的不存在於三維體系中的物理。更重要的一點是，二維材料的所有原子都暴露在表面上，沒有被藏起來的“體”的部分，相比於三維體材料而言更容易被調控。
近幾年，磁性二維材料成為了新的研究熱點。最新的相關研究中，研究人員採用了絕緣的層狀磁性材料Cr2Ge2Te6和CrI3作為研究對象，利用光學的手段探測到了材料中的二維磁性。但這些材料都是絕緣的，而且鐵磁轉變溫度遠低於室溫，在電子學器件的製備和應用上有很大的阻礙。
在前人研究的基礎上，張遠波團隊採用了金屬性的層狀材料作為研究對象，經過兩年的摸索、長達一年的不斷實驗，最終得到了一種新型的二維磁性材料Fe3GeTe2。張遠波團隊實驗發現，單層的Fe3GeTe2在低溫下仍具有鐵磁長程序以及面外磁各向異性。更為重要的是，張遠波團隊利用他們自己發展的技術，用鋰離子插層Fe3GeTe2薄層，使得樣品的鐵磁轉變溫度提高到室溫以上，為未來該材料製作電子器件提供了可能。
一種新思路：新的樣品解理方法
在二維材料領域裡，傳統的膠帶解理方法是一種常用的解理層狀材料製備單層的方式。十多年來一直為學界沿用的膠帶解理法，非常有效，但是也非常簡單原始，有著難以避免的缺陷。用這種方法可以解理的材料少、解理能力有限。對於科研團隊來說，要想得到所研究的二維磁性材料單層，甚至進一步拓展到其他許多未知的二維材料，突破傳統方法探索新路徑是必由之路。
經過艱難摸索和不斷嘗試，張遠波團隊最終發展了一種新的樣品解理方法——利用氧化鋁和Fe3GeTe2之間強的粘附性以及較大的接觸面積來製備單層樣品。這種方法制備效率高，解理能力強，還將為有效解理與Fe3GeTe2解理難度類似的其他層狀材料提供新的方法和研究思路。正是新的解理方法的發現，才使得科研團隊能夠進一步研究這種磁性二維材料的電輸運性質。
▲a：單層Fe3GeTe2（數字為下標）的原子結構。b：利用氧化鋁的新型機械解理法示
據張遠波介紹，本次研究發現的新型的磁性二維材料Fe3GeTe2，將為科學家們未來基於這種材料研發超高密度、柵壓可調且室溫可用的磁電子學器件提供一種可能，而新發現的二維材料解理方法將為未來二維材料的研究拓展新思路。
“基礎研究並不是以應用為導向，而是探索各種可能性。新的材料、新的物性，都是我們研究的出發點。”張遠波說。對研究團隊而言，未來還有著更多的可能性等待他們去發現、探索。
文 字 鍾晨洲
編 輯 史書珣
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