【纳米】郑州大学许群课题组Small：超临界CO2驱动制备超薄二维室温铁磁氧化镓- 大数跨境

【纳米】郑州大学许群课题组Small：超临界CO2驱动制备超薄二维室温铁磁氧化镓

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2023-12-16

导读：郑州大学许群教授团队利用SCCO2制备了具有室温铁磁性的超薄二维非范德华γ-Ga2O3。

人类社会正进入智能化时代，超高速、低功耗的信息存储、传递与计算技术是驱动智能时代发展的基石。发展自旋电子器件，利用电子自旋这一自由度，有望满足后摩尔时代电子信息器件的性能需求，对于推动智能时代发展具有重要意义。

二维磁性材料，因其尺寸优势以及可调控的电子自旋和电荷属性，是自旋电子器件发展的核心材料。寻找具有室温居里温度（Tc）的稳定二维铁磁材料并研究其磁调节机制是推动自旋电子器件发展的基础问题，但仍然具有挑战性。氧化镓是一种宽带隙半导体材料，由于其独特的光学和电学性质，在微电子、光电检测、存储等领域具有广泛的应用价值。在此基础上，开发兼具铁磁性和半导体性质的二维氧化镓具有巨大的优势和潜力。

超临界二氧化碳（SC CO₂）作为一种独特的流体，兼具气体（分子动量高）和液体（分子密度大）的双重优势，在绿色化工和材料微纳结构精细调控中有着广阔的应用前景。近日，郑州大学许群教授团队利用SCCO₂制备了具有室温铁磁性的超薄二维非范德华γ-Ga₂O₃。SC CO₂的应力效应选择性地调节共价键的取向和强度，导致原子空间排布的变化，包括晶格膨胀、O空位的引入和Ga-O配位（高四和高六）的转变（Figure 1）。磁性测量表明，相对于原始γ-Ga₂O₃，SC CO₂处理后的二维γ-Ga₂O₃具有显著的铁磁性，磁饱和强度可达到0.025 emu/g，居里温度约300 K。

Figure 1. Ultrathin 2D non-van der Waals γ-Ga₂O₃ with room temperature ferromagnetism was successfully obtained by using supercritical CO₂ (SC CO₂), which selectively modulates the orientation and strength of covalent bonds in γ-Ga₂O₃, leading to the change of atomic structure and magnetic property.

XRD、XPS、FT-IR、TEM和EPR等实验表征表明SC CO₂的应力效应对Ga₂O₃的铁磁性至关重要。在16 MPa时，Ga₂O₃的磁饱和强度最大，随着压力的进一步增大，磁饱和强度有所降低（Figure 2）。该方法通过外部应力场调制Ga₂O₃的本征磁性，并不是利用传统的掺杂磁性杂质或构造缺陷来获取磁性。通过SC CO₂所制备的纳米片具有良好的室温铁磁性，很好地扩展了二维磁性半导体库。这项工作为下一代自旋电子候选材料的开发提供了重要的指导。

Figure 2. Ferromagnetic characterizations of as-obtained 2D γ-Ga₂O₃ samples. (a) M–H curve of pristine and SC CO₂ treated 2D γ-Ga₂O₃ nanosheets at 300 K. (b) The corresponding magnified M-H curves near H = 0. (c) FC-ZFC magnetization curve of SC CO₂ (16 MPa) treated 2D γ-Ga₂O₃ (SC-16) in the external magnetic field of 20 Oe. (d) ΔM = M_FC − M_ZFC curve of SC-16.

相关研究结果发表在Small 上，郑州大学许群教授和青年教师吴文卓为该论文的通讯作者，第一作者为郑州大学河南先进技术研究院硕士生赵兰玉。

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