结晶二维氮化物半导体的室温铁磁性与压电性

二维压电铁磁半导体材料在信息存储和量子计算等应用领域具有重要的应用前景。然而，目前报道的大部分二维压电铁磁半导体材料的居里温度都远远低于室温，这极大地限制了它们的实际应用。因此，寻找新型具有室温以上磁有序的二维压电半导体材料对于信息存储和量子计算领域的发展具有重要意义。二维氮化碳基宽禁带半导体材料具有长的自旋扩散长度，在信息存储器件中有巨大的应用前景。前期的研究证实，其在室温条件下具有较强的面内压电性，这归因于非中心对称的三角形纳米孔。然而该材料本身没有未配对电子，表现为本征抗磁性，这限制了其在信息存储器件中的应用。究其原因在于，目前制备的二维氮化碳为非晶态且有很多氨基，这限制了其本征磁性。因此，制备出高结晶性的二维氮化碳进而研究其本征磁性、压电性具有重要意义。

近日，西安电子科技大学郝跃院士团队刘艳教授、王勇副教授通过改变前驱体以及热缩聚参数，成功制备出高结晶二维氮化碳。结构表证和理论计算证实：i）样品表现出半导体属性（带隙为 1.8 eV），同时结构发生反演对称性破缺；ii）在高度有序的七嗪结构中引入了C-O-C键，进而获得局域自旋并实现磁有序，从而获得强的室温铁磁性；iii) 结晶氮化碳在室温下表现出压电和铁磁特性，同时应力可以有效调控室温下的磁性行为和压电势。该研究工作可为二维半导体材料的室温铁磁性与压电性研究提供一定的参考价值，有望为信息存储和量子计算等应用领域提供更好的解决方案。

图1. CCN 的结构表征：（a）原子结构俯视图。(b) TEM 图像。(c) SAED 图像。(d) 高分辨率 TEM 图像，(e) 为红框区域放大图像，(f) 为相应的晶格条纹。(g-j）使用球差校正透射电子显微镜获取的 EDS 元素图谱图像。

图2. CCN 的能带和结构表征：(a) C K 边 XANES 光谱。(b) N K 边 XANES 光谱。(c) 傅立叶变换红外光谱。(d) C 1s 和 (e) O 1s XPS 光谱。(f) 紫外-可见吸收光谱，插图为 Kudelka-Munk 图。(g) CCN 纳米片在 1550 纳米激光下的随功率变化的 SHG 光谱。(h) SHG 强度与激发功率的对数坐标关系。红线是通过线性拟合得到的。(i) 总 SHG 强度与激发光束偏振角函数的极坐标图。点代表实验数据，连续线段为拟合值。

图3. CCN 的压电力显微镜表征：（a）46 nm厚 CCN 的 AFM 形貌图。(b) PFM 扫描区域的形貌图。(c) CCN 的垂直和（d）横向共振峰。(e) 在 4 V 激励电压下的面外和 (f) 面内振幅图。(g) 垂直和 (h) 横向共振峰与激励电压的线性关系。(i) 4 V激励电压下的面外和 (j) 面内相位图像。(k) 面外和 (l) 面内相对于激励电压的统计振幅。

图4. CCN 的磁力显微镜表征：（a）厚度为 21.8 nm的 CCN 的 AFM 形貌。(b) 通过预磁化 MFM 探针获得的相应 MFM 相位图。(c) CCN 纳米片上 MFM 相位形貌耦合的三维图像。(d-i）选定区域（d-f）的 MFM 相角分布（g-i），红色区域为基底，蓝色区域为CCN。选区边宽分别为 200 nm、100 nm 和 30 nm。

图5. CCN 的 DFT 计算褶皱区域的磁力显微镜表征：（a）CCN 的自旋极化电荷密度分布。黄色代表自旋向上，蓝色代表自旋向下。(b) CCN 的带状结构和 (c) 态密度。(d) 厚度为84 nm的 CCN 的原子力显微镜形貌图；红色方框表示 MFM 测试区域。(e) 区域 1 内 MFM 相位形貌耦合的三维图像。(f) 区域 1 的 SKPM 电位。(g) 区域 1 截面线 1 上的高度、MFM 相位和电位变化曲线。(h) 皱褶区域 1 的 COMSOL 模拟应变图。(i) 区域 1 截面线 1 上的总应变百分比。

王勇，国家博士后创新人才支持计划（合作导师：郝跃院士），陕西省高层次青年人才，小米青年学者。已主持/参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省高层次人才计划以及中国博士后科学基金等项目。长期专注于信息存储材料与器件研究，相关成果发表学术论文60余篇，其中以第一/通讯作者在Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Research等国内外主流期刊发表30余篇。

刘艳，西安电子科技大学微电子学院教授、博士生导师，入选西安电子科技大学菁英计划与华山学者。刘艳教授长期从事新型半导体功能器件方面的研究，在微纳光子器件、后摩尔微电子新器件以及光电融合和集成方面进行了大量开拓性研究。现承担国家自然科学基金重大研究计划项目和重大项目、科技部重点研发项目等多项研究项目。在IEDM、IEEE EDL、Optics Express、Laser & Photonics Reviews等微电子与光电主流会议和期刊上发表论文150多篇，申请专利40多项，做各类邀请报告10余次。

Wang Y, Yang D, Xu W, et al. Room-temperature ferromagnetism and piezoelectricity in metal-free 2D semiconductor crystalline carbon nitride. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6491-y.