侯仰龙Matter：首次制备具有室温磁涡旋结构的二维铁烯 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

12月23日，北京大学侯仰龙教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter上发表了题为“Free-standing 2D ironene with magnetic vortex structure at room temperature”的最新研究成果。该研究工作报道了一种新型二维单元素过渡金属单晶—铁烯（ironene），不仅为具有室温磁性二维材料的合成提供了有效方法，同时也为未来开发新型自旋电子器件提供了材料基础。

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研究亮点：

1.首次报道纳米级厚度的二维铁铁烯材料。

2.二维铁烯纳米片在室温下能展现出本征铁磁性。

3.二维铁烯具有尺寸和厚度依赖的磁涡旋结构。

4.原位观察了二维铁烯的磁畴壁运动和磁畴演化过程。

成果简介：

近日，北京大学侯仰龙教授团队在新型二维磁性材料研究方面取得重要进展，研究结果以“Free-standing 2D ironene with magnetic vortex structure at room temperature”为题发表在材料类顶级学术期刊Matter上（https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.029）。该研究开发了Te辅助的化学气相沉积（CVD）法，成功制备得到了一种具有室温铁磁性的二维单元素过渡金属单晶—铁烯，并展现出独特的尺寸和厚度依赖的磁涡旋结构，为探索开发新型二维磁性材料体系提供了新的研究思路和策略。

要点1：二维铁烯纳米片的可控制备

具体地，本工作制备得到的二维铁烯是以FeCl₂为Fe源，H₂为还原剂，通过CVD法在云母衬底中限域生长得到的（如图1A）。其中，通过改变前驱体FeCl₂的加入量，可以调控二维铁烯的厚度，最薄可以达到4 nm（如图1B和1C）。该生长过程的关键因素有二：首先是Te粉的辅助作用，其不仅可与FeCl₂前驱体相互作用促进Fe源挥发，还能在生长的过程中吸附在铁原子层的(111)晶面，进而促进其二维各向异性的生长；其次则是云母衬底的空间限域作用，使用两片堆叠的云母衬底构筑一个相对封闭的限域空间，对于非层状二维铁烯的稳定生长也至关重要。

图1. 通过CVD方法制备二维铁烯纳米片

要点2：二维铁烯的结构表征

进一步结合TEM以及EDX分析，证实了制得二维铁烯的晶体结构和化学组成。如图2A所示，低倍下样品为三角状形貌，与光学显微镜一致。由高分辨透射电子显微镜图像（如图2B）可得其晶格间距约为0.201 nm，和体心立方相Fe的(11_0)晶面高度吻合。此外，如图2C所示，通过选区电子衍射证明了其单晶结构。接下来，通过EDX能谱对其元素组成进行了分析，如图2D可以发现，其仅含Fe元素，不含其他杂质元素(Cu元素和C元素的能谱峰来源于TEM测试所用的微栅铜网)。此外，从EDX-Mapping可以看到（图2E和2F），Fe元素在三角形平面内均匀分布，由此证明了该二维材料为Fe单晶纳米片。

图2. 二维铁烯的TEM表征

要点3：二维铁烯的磁畴结构研究

对于微米尺寸的二维单元素过渡金属单晶而言，其磁畴结构与厚度和形状之间的依赖关系尚无研究。基于此，本工作利用磁力显微镜(MFM)技术对制得二维铁烯的磁畴结构进行了深入研究。如图3A所示，二维铁烯的磁畴结构与其厚度具有一定的依赖关系。具体地，当其厚度在4.0和7.0 nm左右时，为单畴结构，而当铁烯的厚度增加到8.6 nm以上时，出现了平面内卷曲的多畴结构，单畴和多畴之间的临界厚度在7.0 nm~8.6 nm之间，这一实验结果也通过单畴或多畴结构的能量密度与其厚度之间的变化关系（如图3B）进行了解释说明。

图3. 二维铁烯的磁涡旋结构与厚度之间的依赖关系

此外，研究还发现二维铁烯的磁涡旋结构与其几何形状也有一定的依赖关系。如图4A和4B所示，随着铁烯的几何形状由(i)正三角形变为(ii, iii)截角三角形，再变为(iv)正六边形的过程中，其磁畴结构也从120°对称的畴结构变为6个不等面积的磁畴，再变为6个60°对称的磁畴结构。且上述实验结果与微磁模拟完全吻合（如图4C）。

图4. 二维铁烯磁涡旋结构与几何形状之间的依赖关系

要点4：外磁场下二维铁烯磁畴结构的演化过程

进一步地，本工作利用洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）对二维铁烯的畴壁结构进行了清晰地成像(如图5A)，并通过施加不同方向的外加磁场，原位地观察了其磁畴壁运动以及磁畴演化过程（如图5B和5C）。随着外磁场强度的增加，其中一个磁畴的面积逐渐增大，畴壁向样品边缘移动并最终消失，由最初的多畴结构演化为单畴结构。最后，也从微磁模拟的角度对以上实验现象进行了验证，模拟结果和实验结论完全一致。

图5. 二维铁烯的LTEM图像及其在磁场下的磁畴结构调控

小结

本文开发了一种Te辅助的CVD策略，首次成功制备了具有室温磁涡旋结构的自支撑二维铁烯。该研究工作有望进一步促进室温磁性二维材料的开发与应用。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中德合作项目的资助和支持。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”查看论文

▌论文标题：

Free-standing 2D ironene with magnetic vortex structure at room temperature

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00622-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.029

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