张远波Nature:发现了一种新型的磁性二维材料Fe3GeTe2

suzhou

自2004年石墨烯被发现以来，对二维材料的研究开始进入科学家的视野。迄今为止，科研人员已经发现了包括绝缘体、半导体、金属等至少几十种性质截然不同的二维材料。日前，复旦大学物理学系张远波教授团队在二维磁性材料领域取得重大突破——发现了一种新型的磁性二维材料Fe3GeTe2，为研究二维巡游磁性提供了一个全新的理想体系。此外，通过锂离子插层调控，研究团队在Fe3GeTe2薄层中获得了室温以上的铁磁转变温度，为未来基于这种材料研发超高密度、栅压可调且室温可用的磁电子学器件提供了新的可能性。

10月22日（伦敦时间），该研究以《二维铁锗碲中栅压调控的室温铁磁性》（“Gate-tunable Room-temperature Ferromagnetism in Two-dimensional Fe3GeTe2”）为题发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。复旦大学物理学系教授张远波为论文通讯作者，物理学系2016级博士生邓雨君、博士后於逸骏为论文的共同第一作者。

一种新材料：新型的磁性二维材料Fe3GeTe2

伴随着单原子层的石墨材料——石墨烯被成功分离出来，二维材料的概念被正式提出来。仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。作为二维材料的石墨烯，与之对应的母体材料就是石墨，即二维材料依靠层间范德瓦尔斯相互作用堆积而成的层状材料。自上世纪70年代起，层状材料就由于电荷密度波、超导、锂电池等领域的研究颇受关注。把层状材料中的最小单元——一个单层——制备出来进行研究，就好比我们打开一本书仔细研读其中的某一页。对于二维材料的深入研究，不仅很有可能帮助我们揭开这些层状母体材料的谜团，还可能使我们发现蕴藏于其中的不存在于三维体系中的物理。更重要的一点是，二维材料的所有原子都暴露在表面上，没有被藏起来的“体”的部分，相比于三维体材料而言更容易被调控。

近几年，磁性二维材料成为了新的研究热点。最新的相关研究中，研究人员采用了绝缘的层状磁性材料Cr2Ge2Te6和CrI3作为研究对象，利用光学的手段探测到了材料中的二维磁性。但这些材料都是绝缘的，而且铁磁转变温度远低于室温，在电子学器件的制备和应用上有很大的阻碍。

在前人研究的基础上，张远波团队采用了金属性的层状材料作为研究对象，经过两年的摸索、长达一年的不断实验，最终得到了一种新型的二维磁性材料Fe3GeTe2。张远波团队实验发现，单层的Fe3GeTe2在低温下仍具有铁磁长程序以及面外磁各向异性。更为重要的是，张远波团队利用他们自己发展的技术，用锂离子插层Fe3GeTe2薄层，使得样品的铁磁转变温度提高到室温以上，为未来该材料制作电子器件提供了可能。

一种新思路：新的样品解理方法

在二维材料领域里，传统的胶带解理方法是一种常用的解理层状材料制备单层的方式。十多年来一直为学界沿用的胶带解理法，非常有效，但是也非常简单原始，有着难以避免的缺陷。用这种方法可以解理的材料少、解理能力有限。对于科研团队来说，要想得到所研究的二维磁性材料单层，甚至进一步拓展到其他许多未知的二维材料，突破传统方法探索新路径是必由之路。

经过艰难摸索和不断尝试，张远波团队最终发展了一种新的样品解理方法——利用氧化铝和Fe3GeTe2之间强的粘附性以及较大的接触面积来制备单层样品。这种方法制备效率高，解理能力强，还将为有效解理与Fe3GeTe2解理难度类似的其他层状材料提供新的方法和研究思路。正是新的解理方法的发现，才使得科研团队能够进一步研究这种磁性二维材料的电输运性质。

单层Fe3GeTe2的原子结构

▲a：单层Fe3GeTe2的原子结构。b：利用氧化铝的新型机械解理法示意图。c：Fe3GeTe2关于厚度和温度的相图。d：Fe3GeTe2薄层的室温磁性。

据张远波介绍，本次研究发现的新型的磁性二维材料Fe3GeTe2，将为科学家们未来基于这种材料研发超高密度、栅压可调且室温可用的磁电子学器件提供一种可能，而新发现的二维材料解理方法将为未来二维材料的研究拓展新思路。

“基础研究并不是以应用为导向，而是探索各种可能性。新的材料、新的物性，都是我们研究的出发点。”张远波说。对研究团队而言，未来还有着更多的可能性等待他们去发现、探索。