铁基氧族化合物二维磁性材料的可控生长与应用

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以石墨烯为代表的二维材料以独特的电子结构特征和优异的物理化学性质在光电、磁学等诸多领域具有广阔的应用前景。近年来,二维磁性材料的研究快速发展,但仍然存在许多问题待解决。首先,许多已知的二维磁性材料存在稳定性差的问题,无法长时间在空气环境下稳定存在。其次,虽然二维磁性材料的研究众多,许多材料是通过理论预测具有磁性,但是只有少数材料被实验制备出来,目前二维磁性材料存在制备困难的问题。针对制备困难的问题,本论文设计了一种通用的化学气相沉积(CVD)方法,使用碘化物做源,利用碘化物易升华的性质实现铁基氧族化合物二维材料的可控、快速制备。通过对制备的样品进行测试,发现样品具有较好的晶体质量,并且具有室温铁磁性。而这些室温铁磁性材料的出现,正是二维磁性材料走向实际用的必被条件。使用碘化物做源制备二维材料的方法可以应用到更多二维磁性材料的制备上。主要研究内容如下:(1)二维Fe3O4的可控生长及中红外激光应用。针对二维磁性材料制备困难的问题,设计了一种低压空间限域CVD的方法,使用碘化亚铁作为铁源在云母、蓝宝石和氧化镁衬底上实现了二维Fe3O4纳米片的可控制备。制备的Fe3O4纳米片属于非层状材料,但通过调控实验方法可以使样品的横向尺寸达到45μm的同时可以保持厚度在5 nm以内,接近于只有几个原子层的厚度。通过Raman、XPS等各种测试得知样品具有较高的晶体质量和及稳定性。实验还发现通过Mn掺杂可以使Fe3O4的激光损伤阈值提升3倍以上,而且具有更强的热力学稳定性。将纯Fe3O4和Mn掺杂Fe3O4制成可饱和吸收体应用到中红外2.8μm的光路中均表现出稳定的调Q脉冲,使用Fe3O4作为可饱和吸收体的光路具有最高112 m W的稳定调Q脉冲输出,而Mn掺杂后的样品则表现出高达774 m W的平均输出功率。(2)通过对Fe3O4制备方法的研究分析,同样使用碘化亚铁做源,使用相同的CVD方法在云母衬底上实现了二维Fe S、Fe Se和Fe Te纳米片的可控制备。其中制备的二维Fe S纳米片是首次在实验中制备出,横向尺寸可达到100μm以上并且具有室温铁磁性。制备的Fe Se纳米片变现为正方形和六方相两种结构,实验还通过控制温度实现两种样品的可控制备,其中六方相的Fe Se作为一种非层状材料其厚度可以达到4nm的同时横向尺寸为10μm左右,同时六方相的Fe Se具有室温铁磁性。实验还制备出具有正方形和三角形两种形貌的Fe Te纳米片,通过控制温度也实现两形貌样品的可控制备,其中三角形的Fe Te纳米片通过测试发现具有室温铁磁性。实验结果表明,使用碘化物做源可以比较容易简单制备出这些二维磁性材料,具有实验方法简单、过程可控和生长速度快等特点。
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