近年來，二維范德華材料例如石墨烯、二硫化鉬等由于其獨特的結構、物理特性和光電性能而被廣泛研究。在二維材料的研究領域中，磁性二維材料具有更豐富的物理圖像，并在未來的自旋電子學中有重要的潛在應用，越來越受到人們的關注。摻雜是實現二維半導體能帶工程的重要手段，如果在二維半導體材料中摻雜磁性原子，則這些材料可能在保持原有半導體光電特性的同時具有磁性。近日，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗研究員魏鐘鳴、李京波帶領的科研團隊，在鐵摻雜二維硫化錫（Fe-SnS2）晶體的光、電和磁性研究方面取得新進展。
硫化錫（SnS2）是一種光電性能優異的二維范德華半導體材料，也是目前報道的光電響應時間最快的二維半導體材料之一。該材料無毒、環境友好，含量較豐富而且易于制備。該研究團隊通過用傳統的化學氣相輸運法摸索生長條件，獲得不同摻雜濃度的高質量的Fe-SnS2單晶，然后通過機械剝離法獲得二維Fe-SnS2納米片。掃描透射電子顯微鏡（STEM）結果表明，Fe原子是替位摻雜在Sn原子的位置，并且均勻分布。通過生長條件的調控，結合X射線光電子能譜（XPS）分析，可以獲得一系列不同的晶體，鐵的摻雜濃度分別為2.1%、1.5%、1.1%。單層Fe0.021Sn0.979S2的場效應晶體管測試表明該材料是n型，開關比超過106，同時遷移率為8.15cm2V-1s-1，光響應度為206mAW-1，顯示了良好的光電性能。
單晶片磁性測試表明，SnS2是抗磁性的，Fe0.021Sn0.979S2和Fe0.015Sn0.985S2具有鐵磁性，而Fe0.011Sn0.989S2則顯示出順磁性。實驗測得Fe0.021Sn0.979S2的居里溫度為31K。當溫度為2K，外磁場沿垂直c軸和平行c軸方向時可以獲得不一樣的磁性，即強烈的磁各向異性。理論計算表明，Fe-SnS2的磁性來源于Fe原子與相鄰S原子的反鐵磁耦合，而相鄰Fe原子間是鐵磁耦合，這樣在這種磁性原子摻雜材料中就形成了長程鐵磁性。該研究表明鐵摻雜硫化錫在未來的納米電子學、磁學和光電領域有潛在的應用。
相關研究成果發表在Nature Communications上。研究工作得到中科院“百人計劃”和國家自然科學基金委優秀青年科學基金、面上項目的資助。
