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科學家發現塑性鐵磁半導體

文章來源：新能源網更新時間：2025-12-09 15:48:23

無機半導體具有豐富可調的功能特性，是構筑電子、能源與信息器件的核心材料。然而，這類材料在室溫下通常表現為脆性強，易發生斷裂，進而導致災難性失效。近年來，一些無機半導體材料被陸續發現具有類似金屬的良好塑性，顛覆了其本征脆性的傳統認知，為發展柔性與可變形電子器件等新興技術提供了材料支撐。但具有塑性的無機半導體材料種類較少，且其功能特性主要局限于電學、熱學和傳感，限制了其應用范圍。傳統的鐵磁金屬具有良好的延展性/塑性和金屬導電特性，而無機鐵磁半導體兼具優異的鐵磁性和半導體特性，是發展自旋電子學器件的理想材料。但目前，無機鐵磁半導體普遍表現為本征脆性，制約了其可加工性，以及其在柔性器件中的應用潛力。

　　近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所等，發現了新型塑性鐵磁半導體CrSiTe3晶體。CrSiTe3是層狀鐵磁半導體材料，研究團隊通過自熔劑法生長出塊體CrSiTe3單晶。力學性能測試表明，CrSiTe3塊體單晶在室溫下表現出良好的塑性，沿面內方向可承受高達12%的拉伸應變與15%的彎曲應變，沿面外方向可承受40%的壓縮應變，與已報道的典型塑性無機半導體材料相當。

　　為揭示其塑性變形機理，研究團隊開展了第一性原理計算，發現CrSiTe3的優異塑性源于其Te-Te層間47mJ m-2的滑移能壘、418mJ m-2的解離能，因而層間容易滑移而不引發解離。化學鍵分析表明，在滑移過程中，層間Te-Te相互作用始終保持一定強度的化學鍵連接，使材料難以解離。

　　磁性測量表明，軋制和彎曲處理后的樣品CrSiTe3的居里溫度均穩定在34K，且飽和磁化強度和矯頑力也未發生明顯變化。蒙特卡洛模擬發現，層間滑移導致AAC堆垛等亞穩態結構形成后，CrSiTe3鐵磁性保持穩定，磁各向異性仍沿c軸方向且僅發生微小偏差，材料具有與原始ABC堆垛相近的居里溫度（35±1K）。上述結果說明，材料的塑性變形對宏觀鐵磁性能影響甚微。

　　該研究拓展了塑性無機半導體材料的功能特性與應用范疇，并在塊體無機半導體中實現了塑性、半導體特性與本征鐵磁有序的協同共存，為發展柔性自旋電子器件提供了新的材料支撐。

　　相關研究成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、上海市等的支持。

(A) 自旋場效應晶體管示意圖；(B) 典型非磁/鐵磁材料拉伸率—帶隙對比圖

實驗和理論上探究塑性變形對CrSiTe3鐵磁性質的影響

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