日前,bat365官网登录入口周家东教授与段俊熙副研究员开展合作,在二维钒基自插层硫族化合物的体系中,通过化学气相沉积方法,基于二元金属前驱体共反应机制,可控合成二维自插层V3S5晶体材料,并研究其相关物性。相关研究成果发表在国际顶刊《Advanced Functional Materials》上。
二维过渡金属硫族化合物的原子结构调控研究,为实现超导、层间激子、磁性、电荷密度波等物理性质提供了一个有效手段。对于调控二维过渡金属硫族化合物的原子结构,以期实现新奇物性观测,原子插层是一个有效手段。在Cr1+xTe2,Nb1+xS2,TaxS(Se)y和VxSy插层体系中,具有多种物理性质的VxSy家族化合物可应用于自旋电子学器件。例如, 化学气相输运法(CVT)制备的V5S8晶体在32 K处展现出反铁磁相变,分子束外延法(MBE)所得到的V9S16和V5S8+x晶体观测到电荷密度波(CDW)相变,化学气相沉积法(CVD)制备的VS2-VS超晶格结构表现出室温面内霍尔效应。综上所述,不同占位的V原子插层到VS2层间,可以获得丰富的物理性质。然而,通过化学气相沉积法制备出具有不同V原子层间占位的自插层VxSy结构仍旧是一个难题。
基于此,通过化学气相沉积方法,我们提出一种二元金属前驱体共反应的生长机制,在生长过程中调控钒源蒸汽压,成功合成二维自插层V3S5晶体。首先,金属性V3S5晶体在20 K左右展现出相变。其次,源于V3S5自身的电电相互作用,在低温下二维V3S5晶体观测到电阻上升和不饱和负磁阻。该工作不仅促进了大家对钒基硫族化合物生长机制的认识,又为合成其余自插层过渡金属硫族化合物提供了新的启发。
图1. V3S5晶体的合成和表征。(a,b)V3S5 的原子结构。(c)二维V3S5晶体合成机制。(d)二维V3S5的光学形貌。(e)V3S5的AFM图。(f)V3S5厚度相关拉曼光谱。(g)二维V3S5 XPS光谱;(h,i)分别为 S 2p 和 V 2p 对应的 XPS 光谱。
图2. 二维V3S5可控生长。(a-c)V3S5光学形貌分别生长于520 ˚C(a),550 ˚C(b)和580 ˚C(c)。(d)不同生长温度下V3S5平均厚度分布。(e-g)V3S5在不同生长时间分别生长于1 min(e)、5 min(f)和10 min(g)光学形貌。(h)二维V3S5平均尺寸与生长时间的关系。(i-k)V3S5在不同氩气流速下生长的光学形貌分别生长于80 sccm(i)、100 sccm(j)和120 sccm(k)。(l)V3S5平均厚度与Ar流速的关系。
图3. 在1064 nm激光下V3S5的SHG信号。(a) SHG测试示意图。(b) 激光功率和SHG强度的关系;(c)二次非线性系数拟合图;(d)SHG强度分别沿V3S5平行和垂直方向的偏振角变化关系。
图4. 二维 V3S5的STEM表征。(a)V3S5晶体的TEM图像及S(b)和V(c)元素TEM-EDS mapping。(d)V3S5晶体STEM-HAADF图像。(e)V3S5晶体电子衍射花样。(f)V3S5晶体的截面STEM-HAADF图像。
图5. 二维V3S5晶体的电学性质。(a)电阻随温度变化曲线。(b)不同磁场下电阻随温度变化曲线。(c)在不同温度下磁阻变化。(d)不同温度下霍尔电阻Rxy 随磁场的变化。(e,f)载流子密度和迁移率随温度的变化。
北京理工大学为该工作第一单位,bat365官网登录入口博士生王平为该工作第一作者,bat365官网登录入口周家东教授与段俊熙副研究员为该工作共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金,北京理工大学基金项目的支持。