氢氧化钾促进铬基非范德华磁性材料在二氧化硅表面直接生长

作     者：罗嵩 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘松

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：非范德华二维磁性材料 氢氧化钾 化学气相沉积 二氧化硅基底 

摘      要：随着科技的不断发展,人们对电子设备的需求不断升高,电子器件也朝着更小尺寸、更节能和更大容量发展,而电子自旋器件拥有这些优势,并且二维磁性材料给自旋电子器件提供了前所未有的发展前景。这是由于二维磁性材料具有的一些其块体材料没有的物理特性,比如良好的力学柔性,在极限厚度仍具有磁性。而目前的Cr2S3、Cr2Se3和Cr2Te3吸引了研究者的兴趣,它们通常需要采用化学气相沉积(CVD)等自下而上的合成方法获取,由于其为非范德华材料,生长基底通常为惰性表面,在构建器件和磁性能表征时需要经过复杂的转移步骤至硅片,而转移过程将导致样品损伤和污染。因此,对SiO2/Si表面进行改性使此类材料直接生长具有重要意义。基于此,我们使用氢氧化钾(KOH)来对基底表面进行处理,以达到改变材料与基底之间的形成能,使其直接生长,并借助探针平台和综合物性物性测量系统对其性能进行测试。工作内容主要包括以下几个方面:(1)对SiO/Si基底进行KOH旋涂处理,利用CVD法在二氧化硅表面制备Cr2S3,Cr2Se3,Cr2Te3三种材料,并且通过拉曼(Raman)光谱,X射线衍射(XRD),X射线电子能谱(XPS)等表征确定其结构,我们成功在SiO2/Si基底上制备了薄层、大面积的R-3空间群Cr2S3、R-3空间群Cr2Se3以及p31c空间群的Cr2Te3。(2)通过光刻、蒸镀手段构建场效应晶体管,对Cr2S3以及Cr2Se3进行电学测量,发现Cr2S3呈现n型半导体,Cr2Se3表现为金属性;并通过综合物性测量系统对生长在SiO2/Si表面的Cr2S3,Cr2Se3,Cr2Te3直接进行磁性表征,发现Cr2S3表现为亚铁磁性,Cr2Se3表现为自旋玻璃性质,而Cr2Te3为铁磁性。(3)对KOH辅助Cr2S3生长进行了对照实验,并利用基于密度泛函理论的计算来验证猜想。实验以及计算证明,KOH中,OH起主要作用,促进Cr2S3纳米片在二氧化硅表面生长的横向尺寸更大,厚度更薄,而K在Cr2S3生长过程中起辅助作用,使Cr2S3在二氧化硅表面生长形貌更加规则,结晶性更高。该方法为非范德华磁性材料的生长提供了一种新思路,简化了非范德华磁性材料的晶体管构建和磁学性能测量步骤。