硫化錫 (SnS2) 是一種光電性能優異的二維範德華半導體材料, 也是目前報道的光電響應時間最快的二維半導體材料之一. 該材料無毒, 環境友好, 含量較豐富而且易於製備. 該研究團隊通過用傳統的化學氣相輸運法摸索生長條件, 獲得不同摻雜濃度的高質量的Fe-SnS2單晶, 然後通過機械剝離法獲得二維Fe-SnS2納米片. 掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 結果表明, Fe原子是替位摻雜在Sn原子的位置, 並且均勻分布. 通過生長條件的調控, 結合X射線光電子能譜 (XPS) 分析, 可以獲得一系列不同的晶體, 鐵的摻雜濃度分別為2.1%, 1.5%, 1.1%. 單層Fe0.021Sn0.979S2的場效應晶體管測試表明該材料是n型, 開關比超過106, 同時遷移率為8.15cm2V-1s-1, 光響應度為206mAW-1, 顯示了良好的光電性能.
單晶片磁性測試表明, SnS2是抗磁性的, Fe0.021Sn0.979S2和Fe0.015Sn0.985S2具有鐵磁性, 而Fe0.011Sn0.989S2則顯示出順磁性. 實驗測得Fe0.021Sn0.979S2的居裡溫度為31K. 當溫度為2K, 外磁場沿垂直c軸和平行c軸方向時可以獲得不一樣的磁性, 即強烈的磁各向異性. 理論計算表明, Fe-SnS2的磁性來源於Fe原子與相鄰S原子的反鐵磁耦合, 而相鄰Fe原子間是鐵磁耦合, 這樣在這種磁性原子摻雜材料中就形成了長程鐵磁性. 該研究表明鐵摻雜硫化錫在未來的納米電子學, 磁學和光電領域有潛在的應用.
相關研究成果發表在Nature Communications上. 研究工作得到中科院 '百人計劃' 和國家自然科學基金委優秀青年科學基金, 面上項目的資助.
半導體所二維半導體的磁性摻雜研究取得進展