二维金属性FeTe材料的可控合成与物性研究

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二维金属性过渡金属硫族化合物(2D MTMCs)的出现,为二维量子限域下多种新奇物理现象(例如磁性、超导与电荷密度波相变)的探索提供了理想的研究平台。大量研究结果表明,该类材料普遍具有较高的电导率,通过构筑二维金属/半导体TMCs异质结能够有效降低二维半导体器件的接触电阻和势垒高度,实现器件性能的显著提升。此外,2D MTMCs优异的催化活性决定了其在催化及能源领域的出色表现,有望代替传统贵金属成为新一代高效催化剂的候选材料。作为MTMCs家族的一员,碲化铁(FeTe)由于其丰富的相结构和独特的磁学特性引发了人们的广泛关注。然而到目前为止,二维FeTe的相可控制备、无损转移及其电学性质的研究仍处于起步阶段。基于上述问题,本论文从超薄二维FeTe的相可控化学气相沉积(CVD)合成出发,系统地研究了多种实验参数对其生长结果的影响,并发展了一种可用于二维金属性材料的无损转移方法。同时通过电输运与磁滞测试,获得了四方和六方相FeTe的厚度相关电导率和长程铁磁有序。本论文的详细内容如下:第一章,对MTMCs的能带及晶体结构进行了详细介绍,总结了几种常见的2D MTMCs的制备方法,并系统地阐述了该类材料在二维极限下的独特物性及其潜在应用。第二章,罗列了材料合成与表征所用到的试剂与仪器。此外,详细介绍了利用微纳加工技术构筑二维FeTe电子器件的方法与流程。第三章,以固体粉末为前驱体,利用常压化学气相沉积法(APCVD)在氟金云母衬底表面可控地合成了高质量超薄四方和六方相FeTe纳米片。从前驱体比例、生长温度和反应时间三个角度,实现了二维FeTe单晶的生长调控,为多结构相二维材料的可控制备提供了研究思路。将表面能辅助法应用于超薄FeTe纳米片的转移过程,得益于温和的转移机制,最大程度上保留了样品的晶体质量以及生长衬底的表面结构。该方法对推动金属性二维材料的无损转移具有重要意义。第四章,结合谱学表征与成像技术,系统地分析了二维FeTe纳米片的晶体质量、成分比例与原子结构。四方和六方相FeTe纳米片的厚度最低分别达到了4.0 nm与2.5 nm。Raman平面成像(mapping),X射线衍射(XRD),原子分辨扫描透射电子显微镜(STEM)以及选区电子衍射(SAED)等多项表征结果显示,所制备四方和六方相FeTe纳米片均为高质量单晶,且分别具有PbO型层状结构与NiAs型非层结构。电输运表征结果显示,两种FeTe纳米片均表现出了明显的金属行为且具有厚度相关的室温电导率。磁滞结果显示,六方相FeTe表现出了室温弱铁磁性及面外易磁化轴。该研究为二维铁磁材料的精准制备及其电子器件应用提供了新的解决方案。第五章,总结了二维FeTe的相可控CVD制备,实现了大尺寸、超薄FeTe纳米片的精准合成;概述了二维金属性材料的无损转移技术;论述了二维FeTe的超高电导率与室温长程铁磁有序性;最后讨论了二维FeTe可控制备与物性研究中存在的科学问题以及未来的发展方向。
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