【儀表網 研發快訊】在信息技術迅猛發展的今天，傳統硅基半導體技術正逐漸逼近其物理極限。磁性半導體能夠同時利用電子的電荷和自旋屬性，不僅使信息存儲與處理更高效，還可能提供非易失性的計算能力。針對大多數磁性半導體磁有序溫度低于室溫，開發出具有強室溫鐵磁性的半導體材料，是該領域亟待突破的關鍵科學難題。為了解決這一瓶頸問題，研究者通過新的方式發展磁性半導體，如本征二維磁性半導體和有機磁性半導體。從應用的角度看，由于有機磁體室溫磁化強度通常小于1 emu/g，因此擁有高飽和磁化強度和高磁有序溫度的有機磁性半導體非常吸引人。
 

　　為了解決室溫弱磁性等瓶頸問題，中國科學院金屬研究所功能材料與器件研究部研究人員的前期研究 [Kuang QF (曠奇峰等) J. Appl. Phys. 137 (2025) 013908]發現，采用高自旋Fe3+(S=5/2)替換有機-無機磁體(β-Fe2Se3)4[Fe(tepa)] (tepa=四乙烯五胺)空間層中的高自旋Fe2+(S=2)，亞鐵磁材料的室溫的飽和磁化強度可以從4 emu/g增加到7.2 emu/g。穆斯堡爾譜學和第一性原理計算表明，雜化材料晶格內高自旋Fe3+和Fe2+的層間和層內磁相互作用是二維磁體產生三維長程亞鐵磁有序的原因。而調控空間層向無機層的電荷摻雜數量，并通過低自旋Fe2+(S=0)和Fe3+(S=1/2)抑制雜化材料中的磁相互作用，成功獲得了具有42K轉變溫度的新型β-Fe3Se4基高溫超導材料Fe14Se16(tepa)0.8 [Li D (李達等) J. Mater. Sci. Techn. 198 (2025) 98-110]。
 

　　最近，研究人員進一步提出基于無機主體層與有機空間層協同作用實現磁性與半導體性能共存的研究策略，通過化學自組裝成功制備出了具有四方晶體結構的二維有機-無機雜化亞鐵磁半導體(β-Fe3Se4)4[Fe(peha)]0.7Fe1.3 (peha=五乙烯六胺)(圖1)。該磁性半導體納米片是由四方β-Fe3Se4主體層和含有Fe3+和[Fe(peha)]3+的空間層組成，選區電子衍射結果證明納米片的單晶結構特征(圖2)。紫外可見光/光致發光光譜、電輸運和塞貝克系數測量表明，這種n型半導體納米片的直接光學帶隙為2.22 eV，在130-300 K溫度范圍內遵循熱激活導電機制(lnρ ∝ T-1)，激活能為62.69 meV；在55-300 K溫區內表現出極低的熱導率(κ~0.8-2.5 W m?¹ K?¹)，主要源于無機主體層與有機空間層之間的弱相互作用引發的軟模振動或強非諧效應(圖3)。磁性測量和穆斯堡爾譜分析證實了半導體納米片中存在長程磁有序(圖4)。室溫下飽和磁化強度為4.6 emu/g，居里溫度高于519 K，是目前實驗上已報道的有機磁性半導體磁有序溫度的最高值(圖5)，為進一步開發室溫自旋電子學器件奠定了堅實基礎。研究成果以“Two-dimensional hybrid nanosheets towards room-temperature organic ferrimagnetic semiconductor” 為題發表 [Men XL (門曉玲等) J. Mater. Sci. Techn. 233 (2025) 280-288]，并入選期刊封面故事論文。
 

　　本研究由金屬所李達研究員、楊騰研究員和張志東研究員指導。金屬所劉崗研究員、蘭州大學李志偉教授、西安交通大學楊森教授和張垠副教授在光譜、穆譜和光磁響應等性能測試方面提供重要支持。
 

　　該成果得到了國家自然科學基金項目(51971221，52031014和52371203)資助。
 

　　圖1. Fe14Se16(peha)0.7納米片的形貌、化學成分和結構表征。(a)FESEM圖像。插圖顯示了EDX光譜。(a)中用黃色框標記的納米片的(b)Fe(c)Se(d)C和(e)N的元素分布。(f) FTIR光譜。(g)Fe 2p的XPS光譜。插圖為以商業Fe3O4為參考的納米片的Fe L邊XAS。(h)室溫下慢掃XRD譜及Le Bail精修和差異曲線。垂直短線表示布拉格衍射位置。(i)由β-Fe3Se4層和由Fe3+和有機peha分子組成的空間層構建的雜化納米片的結構示意圖。
 

　　圖2. Fe14Se16(peha)0.7納米片單晶結構表征。(a)TEM照片和(b)[001]方向納米片SAED譜。紅線的交點表示β-Fe3Se4層的(010)、(100)、(110)、(020)、(200)、(220)衍射面。(c)將(a)中的納米片從[001]旋轉到[1? 11]的示意圖。(d)沿[1? 11]方向納米片的SAED譜。
 

　　圖3.單晶Fe14Se16(peha)0.7納米片半導體性能。(a)Tauc圖。(b)300 K下測試的PL譜(270nm激發)。電阻率與(c)T-1(55–300K范圍)和(d)T-1/4(55–130K范圍)關系線性擬合。采用10μA電流測試電阻率(空白點)。(e)電導率和塞貝克系數的溫度依賴性。(f)實驗測試的熱導率(κ)-溫度曲線、計算出的電子熱導率(κel)和聲子熱導率(κlat)的貢獻。曲線1-3是擬合線。
 

　　圖4. Fe14Se16(peha)0.7半導體的磁性能和穆斯堡爾譜。(a)H=0.1 kOe下記錄的零場冷(ZFC)和場冷(FC)磁化強度-溫度曲線，以及在零磁場下5-300K范圍測量的交流磁化率。插圖為交流磁化率實部的頻率依賴性。(b)不同溫度下測量的磁滯回線。插圖為低磁場范圍放大圖。(c)H=50kOe下從300K到750K一系列加熱或冷卻過程中磁化強度(M)和dM/dT曲線的溫度依賴性。(d)300 K、(e)100 K和(f)5 K下記錄的穆斯堡爾譜。實驗數據(黑點)和擬合譜(黑線)。不同顏色曲線代表材料中不同格點的Fe2+和Fe3+的自旋態不同。
 

　　圖5.有機-無機Fe14Se16(peha)0.7磁性半導體與從前報道的一些有機磁性半導體的磁有序溫度和室溫飽和磁化強度的比較。