在室温下运行的超薄磁体的开发可能会在计算和电子领域带来新的应用——例如高密度、紧凑的自旋电子存储设备——以及用于研究量子物理学的新工具。
美国加州大学伯克利分校的研究人员最近在 nature communications 上报道了超薄磁体可以在下一代存储器、计算、自旋电子学和量子物理学方面取得重大进展。
该研究报道了环境稳定性强的二维石墨Zn1-xCoxO (gZCO)单层室温铁磁性的观察。通过Co原子的掺杂，成功地将磁性引入到非磁性二维vdW晶体gZnO中。不同的掺杂水平驱动从顺磁性过渡到铁磁性，然后到一个较无序的状态。
“我们是第一个制作室温下化学稳定的二维磁体的研究者，”通讯作者、加州大学材料科学与工程副教授Jie Yao说。
“这一发现令人兴奋，因为它不仅使室温下的二维磁性成为可能，而且还揭示了一种实现二维磁性材料的新机制，” Rui Chen补充说，他是加州大学伯克利分校 Yao 研究组的研究生，也是该研究的第一作者。
当今存储设备的磁性组件通常由磁性薄膜制成。但在原子水平上，这些磁性薄膜仍然是三维的——有数百或数千个原子厚。几十年来，研究人员一直在寻找制造更薄、更小的二维磁体的方法，从而使数据能够以更高的密度存储。
此前在二维磁性材料领域的研究已经取得了可喜的成果。但是这些早期的二维磁体会在室温下失去磁性并变得化学不稳定。
“最先进的二维磁铁需要非常低的温度才能发挥作用。但出于现实原因，数据中心需要在室温下运行，” Yao说。“理论上，我们知道磁体越小，磁盘的潜在数据密度就越大。我们的二维磁铁不仅是第一个在室温或更高温度下工作的磁铁，而且也是第一个达到真正的二维极限的磁铁：薄如单个原子！”
研究人员表示，他们的发现也将为研究量子物理提供新的机会。“我们的原子薄磁体为探索量子世界提供了一个最佳平台，” Yao说。“它打开了每一个原子的检查，这可能揭示量子物理如何支配每一个磁性原子以及们之间的相互作用。传统的大块磁铁的大部分磁性原子都深埋在材料中，这样的研究将非常具有挑战性。”
研究人员用氧化石墨烯、锌和钴的溶液制备了一种新的二维磁铁——掺杂钴的范德华氧化锌磁体。在传统的实验室烤箱中烘烤几个小时，混合物就变成了单一的氧化锌原子层，石墨烯层之间夹有少量钴原子。最后一步，在400°C的空气中进行1小时的退火过程中，还原氧化石墨烯被去除掉，只留下一个掺杂钴的氧化锌原子层。这种制备工艺被放大用于工业生产时没有重大阻碍，该材料有潜力以更低的成本进行大规模生产。
图解钴掺杂氧化锌单层中的磁耦合。红色、蓝色和黄色球体分别代表钴、氧和锌原子。
图片来源：伯克利实验室
为了确认生成的二维薄膜只有一个原子厚，Yao和他的团队在伯克利实验室的分子铸造中心进行了扫描电子显微镜实验，以确定材料的形态，并通过透射电子显微镜成像逐个原子地探测材料。
有了证明他们的二维材料真的只有原子厚的证据，研究人员继续进行困扰研究人员多年的下一个挑战：演示一种在室温下成功运行的二维磁铁。
伯克利实验室高级光源的x射线实验描述了高温下二维材料的磁性参数。在 SLAC 国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行的额外 X 射线实验验证了合成二维磁体的电子和晶体结构。在阿贡国家实验室的纳米材料中心，研究人员使用透射电子显微镜对二维材料的晶体结构和化学成分进行了成像。
总的来说，研究小组的实验室实验表明，钴原子浓度为5-6%时，石墨烯-氧化锌体系具有弱磁性。将钴原子的浓度提高到12%左右会产生非常强的磁性。
令研究人员惊讶的是，钴原子浓度超过15%会使二维磁体变成一种“尴尬”的奇异量子状态，二维系统内的不同磁态相互竞争。
以前的二维磁铁在室温或更高的温度下失去磁性，而研究人员发现新的二维磁铁不仅在室温下工作，而且在100摄氏度(212华氏度)下也能工作。
“与之前的二维磁体相比，我们的二维磁性体系显示出了一种独特的机制，” Chen说。“我们认为这种独特的机制是由于氧化锌中的自由电子。”
当计算机保存文件时，信息以一系列 1 和 0 的形式存储在计算机的磁存储器中，例如磁性硬盘驱动器或闪存。与所有磁体一样，磁存储设备包含具有两个磁极的微型磁体——北和南，其方向遵循外部磁场的方向。当这些微小的磁铁被翻转到所需的方向时，数据就会被写入或编码。
2D vdW gZCO
采用基于氧化石墨烯模板的方法来合成二维gZCO纳米薄片。值得注意的是，最后的退火过程是在400°C的空气中进行1小时，以去除还原的氧化石墨烯(rGO)模板，这突出了gZCO晶体在环境条件下的强化学稳定性。
据 Chen 说，氧化锌的自由电子可以作为中间体，确保新二维器件中的磁性钴原子继续指向同一方向——从而保持磁性——即使主体（在这种情况下是半导体氧化锌）是一种非磁性材料。
自由电子是电流的组成部分。它们朝着相同的方向运动以导电，” Yao 补充道，他将金属和半导体中的自由电子的运动与水流中的水分子的运动进行比较。
研究人员表示，这种新材料——几乎可以弯曲成任何形状而不会断裂，厚度只有一张纸的 100 万分之一——有助于推进自旋电子学或自旋电子学的应用，这是一种使用方向的新技术，利用电子的自旋的方向而不是它的电荷来编码数据。“我们的二维磁铁可以形成超致密的自旋电子器件以设计电子的自旋，” Chen 说。
“我相信，在室温下发现这种新的、坚固的、真正的二维磁铁是 Jie Yao 和他的学生的真正突破，”共同作者、伯克利实验室材料科学部的高级科学家 Robert Birgeneau 说，“除了对自旋电子器件具有明显的意义外，这种二维磁体在原子水平上也很吸引人，首次揭示了钴磁性原子如何通过复杂的二维网络在'长’距离上相互作用”。
◾ 文献信息
Chen, R., Luo, F., Liu, Y. et al. Tunable room-temperature ferromagnetism in Co-doped two-dimensional van der Waals ZnO.
Nat Commun 12, 3952 (2021).
https:///10.1038/s41467-021-24247-w
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