二维层状半导体材料因其独特的结构及新奇的光电性质受到人们的广泛关注。然而，传统二维层状材料中铁磁性的缺失限制了该类材料在自旋电子学器件中的发展与应用。自2017年首次报道层状材料CrGeTe3兼具半导体和铁磁特性后，该材料引起了研究者的极大关注，迅速成为新兴自旋电子器件的首选材料。目前超薄CrGeTe3纳米片通常采用传统的机械剥离单晶法进行制备。然而，助溶剂法生长CrGeTe3单晶往往需要1000 ℃以上高温和较长的生长周期。因此，探寻简单易行、成本低廉的CrGeTe3纳米片液相合成方法，对进一步实现本征铁磁二维材料器件加工与应用具有非常重要的科学研究价值。
近日，山西师范大学许小红教授课题组与中科院化学所薛丁江研究员共同合作，提出了基于非范德华模板制备二维范德华纳米片的液相合成方法，成功制备出层状铁磁CrGeTe3纳米片。研究人员首先通过第一性原理模拟计算预测出Cr2Te3晶格中一半的Cr离子因其较小空间位阻和低能量势垒易于被Ge离子取代，从而实现从非范德华Cr2Te3到二维范德华CrGeTe3的结构演变 (图1)。
图1. 从非范德华Cr2Te3到范德华CrGeTe3的结构演变理论模拟过程
基于上述理论预测，研究人员选用具有硬磁特性的非范德华结构二元Cr2Te3为模板，通过化学阳离子交换液相法，成功合成出具有二维范德华结构的三元CrGeTe3超薄纳米片。实验结果表明，在阳离子交换过程中，Cr2Te3硬磁相和CrGeTe3软磁相共存，从而使得磁滞回线测试中出现明显的软磁/硬磁耦合现象(图2)。
图2. Cr2Te3中不同含量Ge阳离子交换后样品的XRD和磁滞回线
所制备的CrGeTe3二维纳米片呈软磁特性，形貌为规则六边形，其直径大于1 μm，平均厚度为60-70 nm (图3)，并且可通过进一步的正己烷超声使其厚度降为5-7 nm，相当于7-10个CrGeTe3单层。同时，通过该方法所制备的CrGeTe3纳米片还表现出优异的空气稳定性，在空气中保存六个月以上或在真空中退火仍能保持良好的磁学性能。该研究工作所提出的基于非范德华到范德华结构演变的二维材料合成策略，为液相合成CrGeTe3铁磁二维半导体及其他二维层状材料开辟了新路径。
图3. Cr2Te3和CrGeTe3两相共存(a-d)和CrGeTe3二维纳米片(e-h)形貌
该研究成果以封面论文发表在国际权威期刊Journal of the American Chemical Society 上。山西师范大学博士研究生杨欢为论文第一作者，山西师范大学王芳教授、许小红教授和中科院化学所薛丁江研究员为共同通讯作者，理论模拟工作由山西师范大学张会生副教授完成，山西师范大学为该文章的第一通讯单位。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
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Solution Synthesis of Layered van der Waals (vdW) Ferromagnetic CrGeTe3 Nanosheets from a Non-vdW Cr2Te3 Template. Huan Yang, Fang Wang*, Huisheng Zhang, Lihong Guo, Liyan Hu, Lanfang Wang, Ding-Jiang Xue*, Xiaohong Xu* J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 4438-4444, DOI: 10.1021/jacs.9b13492
本文转自X-MOL：https://www.x-mol.com/news/306085
