【摘 要】
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二维材料由于其独特的层状结构,新奇的物理特性以及在微电子学、光电子学和催化等领域具有巨大的研究潜力而备受研究者的广泛关注。目前,对二维材料的研究主要集中在电子学和光电子学等领域,而关于二维磁性材料的磁学特性及环境稳定性的研究还处于初步探索阶段。因此本文以二维范德瓦尔斯铁磁材料Cr Si Te3和Cr Ge Te3的微结构、磁学以及稳定性研究为出发点,探寻这类材料未来在二维电子器件领域的应用价值,以
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二维材料由于其独特的层状结构,新奇的物理特性以及在微电子学、光电子学和催化等领域具有巨大的研究潜力而备受研究者的广泛关注。目前,对二维材料的研究主要集中在电子学和光电子学等领域,而关于二维磁性材料的磁学特性及环境稳定性的研究还处于初步探索阶段。因此本文以二维范德瓦尔斯铁磁材料Cr Si Te3和Cr Ge Te3的微结构、磁学以及稳定性研究为出发点,探寻这类材料未来在二维电子器件领域的应用价值,以下是本论文的主要研究成果:(1)论文采用自熔剂法制备了二维铁磁半导体Cr Si Te3和Cr Ge Te3晶体。对Cr XTe3(X=Si,Ge)晶体样品进行了一系列微结构和磁性表征。扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪的实验结果表明制备的Cr XTe3晶体具有层状结构,且化学组分可控没有杂质。X射线衍射和拉曼光谱验证了制备的晶体具有纯度高和结晶度高的特点。磁性测试表明Cr XTe3晶体具有显著的磁各向异性,易磁化轴为c轴。Cr Si Te3和Cr Ge Te3晶体的居里温度分别约为34 K和67 K。交流磁化率的测量表明Cr XTe3晶体低温下出现了其他二维铁磁材料中的两次磁相变特征。(2)重点分析了二维铁磁半导体Cr XTe3(X=Si,Ge)纳米片的环境稳定性。光学图像的实验结果表明,在相同曝光时间内,Cr Ge Te3纳米片的光学对比度变化速度缓慢,并且剥离后的Cr Ge Te3纳米片的稳定性大约可以维持10小时;与Cr Ge Te3相比,暴露于环境中的较薄且没有任何保护的Cr Si Te3纳米片对空气更为敏感,稳定性较差。原子力显微镜的实验结果表明,没有任何保护的薄层Cr XTe3纳米片在自然环境下都会降解,特别是,在20分钟内Cr Si Te3纳米片的厚度迅速增加,并且表面会出现明显气泡。拉曼光谱的研究表明Cr XTe3纳米片的拉曼强度随厚度增加而降低,这可能源于干涉效应。相同条件下,少层Cr Ge Te3纳米片比Cr Si Te3更稳定,11 nm厚的Cr Ge Te3纳米片可以在空气中至少稳定一天,而厚度小于20 nm的Cr Si Te3纳米片在刚剥离后会立即发生降解。在高功率激光激发条件或者长时间暴露在空气中时,Cr XTe3纳米片表面降解过程为首先生成非晶态Te或者Te Ox,然后逐渐产生Te O2。(3)利用剥离的Cr Ge Te3纳米片制备了基于二维铁磁材料的场效应晶体管器件,并研究了其迁移率计算及电子输运性质。通过光刻、曝光、显影和电子束蒸发等技术制作场效应晶体管,并采用半导体分析仪以及两端探针法,在室温下测量了样品的转移特性曲线和输出特性曲线,最后计算出场效应管的迁移率。多层Cr Ge Te3纳米片场效应晶体管表现为P型半导体的输运性质,最大载流子迁移率约为0.1 cm2V-1s-1。
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