硫化锡 (SnS2) 是一种光电性能优异的二维范德华半导体材料, 也是目前报道的光电响应时间最快的二维半导体材料之一. 该材料无毒, 环境友好, 含量较丰富而且易于制备. 该研究团队通过用传统的化学气相输运法摸索生长条件, 获得不同掺杂浓度的高质量的Fe-SnS2单晶, 然后通过机械剥离法获得二维Fe-SnS2纳米片. 扫描透射电子显微镜 (STEM) 结果表明, Fe原子是替位掺杂在Sn原子的位置, 并且均匀分布. 通过生长条件的调控, 结合X射线光电子能谱 (XPS) 分析, 可以获得一系列不同的晶体, 铁的掺杂浓度分别为2.1%, 1.5%, 1.1%. 单层Fe0.021Sn0.979S2的场效应晶体管测试表明该材料是n型, 开关比超过106, 同时迁移率为8.15cm2V-1s-1, 光响应度为206mAW-1, 显示了良好的光电性能.
单晶片磁性测试表明, SnS2是抗磁性的, Fe0.021Sn0.979S2和Fe0.015Sn0.985S2具有铁磁性, 而Fe0.011Sn0.989S2则显示出顺磁性. 实验测得Fe0.021Sn0.979S2的居里温度为31K. 当温度为2K, 外磁场沿垂直c轴和平行c轴方向时可以获得不一样的磁性, 即强烈的磁各向异性. 理论计算表明, Fe-SnS2的磁性来源于Fe原子与相邻S原子的反铁磁耦合, 而相邻Fe原子间是铁磁耦合, 这样在这种磁性原子掺杂材料中就形成了长程铁磁性. 该研究表明铁掺杂硫化锡在未来的纳米电子学, 磁学和光电领域有潜在的应用.
相关研究成果发表在Nature Communications上. 研究工作得到中科院 '百人计划' 和国家自然科学基金委优秀青年科学基金, 面上项目的资助.
半导体所二维半导体的磁性掺杂研究取得进展