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二維半金屬材料獲驗(yàn)證 納米級(jí)磁性器件開發(fā)迎來新可能
2025年07月21日 16:44:34
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：228
半金屬，指的是介于金屬和非金屬之間的物質(zhì)。而近日，德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個(gè)二維半金屬材料并獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這種材料或?qū)⒂型蔀闃?gòu)建自旋電子元件的基礎(chǔ)。
近日，德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個(gè)二維半金屬材料并獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。據(jù)悉，該材料是一種僅允許單一自旋方向電子導(dǎo)電的材料，有望成為實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵材料。
所謂半金屬，指的是介于金屬和非金屬之間的物質(zhì)。這種物質(zhì)外表呈現(xiàn)出金屬的特性，但在化學(xué)性質(zhì)上卻表現(xiàn)出金屬和非金屬兩種性質(zhì)。并且從能帶結(jié)構(gòu)來看，金屬中被電子填充的最高能帶是半滿的或部分填充的，電子能自由運(yùn)動(dòng)，有較高的電導(dǎo)率。但又與傳統(tǒng)導(dǎo)體不同，半金屬只允許一種自旋方向的電子通過。正因如此，這種材料在諸多領(lǐng)域具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
而二維材料，指的則是厚度僅為原子或分子級(jí)別的薄層材料，電子在其中僅能在兩個(gè)維度(平面)上自由運(yùn)動(dòng)。這類材料通常由單層或少數(shù)幾層原子組成，厚度在納米尺度范圍內(nèi)。同時(shí)高比表面積、光學(xué)透明性與柔韌性也賦予了這種材料更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。
二維半金屬材料相當(dāng)于具備半金屬的單一自旋方向電子導(dǎo)電特性與二維材料的薄柔特性，這對(duì)于材料的應(yīng)用，有非常積極的影響。
像傳統(tǒng)的半金屬材料，只能在極低溫下工作，且表面易失去自旋極化特性。而此次德國于利希研究中心開發(fā)的鐵鈀合金二維半金屬便可以在室溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自旋傳輸，甚至，由于這種材料并不依賴?yán)硐氲木w結(jié)構(gòu)，因此理論上可以通過調(diào)節(jié)鐵的含量還能對(duì)其電子特性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)利用范德華擠壓技術(shù)，將熔融金屬在高壓下擠壓至單層二硫化鉬(MoS?)夾層中，形成穩(wěn)定的二維金屬層。這一方法突破了傳統(tǒng)非層狀材料(如金屬)難以剝離至原子級(jí)厚度的難題。并且通過自旋分辨動(dòng)量顯微鏡直接觀察電子行為，證實(shí)材料表面僅特定自旋方向的電子參與導(dǎo)電，推翻了學(xué)界長(zhǎng)期認(rèn)為“自旋-軌道耦合會(huì)破壞半金屬性”的觀點(diǎn)。
與此同時(shí)，這種二維半金屬自旋極化方向與磁化方向相反的罕見特性為納米級(jí)磁設(shè)備解鎖新功能，可能催生全新類別的微型傳感器或量子器件，展現(xiàn)出了非常廣闊的應(yīng)用前景。或許在不遠(yuǎn)的未來，我們能夠見到這種材料被用于自旋濾波器、自旋軌道轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)等電子元件的生產(chǎn)中，享受到這類材料給人類科技帶來的改變。
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