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JS金沙:北理工课题组在二维磁性材料力学调控和测试方面取得重要进展

JS金沙陈亚彬课题组利用极端力学调控方法,系统研究了二维磁性材料FeTe在极端压力和温度下的相变行为和光电特性,精细绘制了二维FeTe的压力-温度相图,该研究成果有望为铁基功能材料的应用研究提供重要参考。该研究工作于1月11日以“Pressure-modulated structural and magnetic phase transitions in two-dimensional FeTe: Tetragonal and hexagonal polymorphs”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04384),北理工宇航JS金沙2020级博士生韩武孝同学为第一作者,陈亚彬教授为论文通讯作者。此外,该课题组前期利用基于原子力显微镜的纳米压痕方法精确测定了二维FeTe材料的力学性质,发现四方相FeTe的弹性模量随厚度增加而迅速降低;相反地,六方相FeTe的有效模量未体现出厚度依赖性。该研究成果于2023年12月份在国际知名期刊《Small》上发表(DOI: 10.1002/smll.202308357),北理工力学系2023届毕业生余云飞硕士为第一作者。

二维铁硫族化合物具有丰富的结构、磁性和电子特性,是研究自旋电子学和超导机理的重要载体。其中,FeS和FeSe的超导性均已被实验证实,且相关研究已经证明结构和磁性相变都会对其超导性产生重大影响。理论预测FeTe是一种超导转变温度更高的新材料,然而这在实验上却鲜有报道;令人着迷的是,O、S和Se元素掺杂的FeTe都体现出了超导特性!近期,具有六方结构和铁磁相的二维FeTe材料被合成出来,这为探究FeTe材料体系的结构-磁性-超导的关联特性提供了更多可能性。

当物质置于百万个大气压条件下时,其结构、物理和化学等性质都会发生显著改变。高压科学技及术可以用于合成新材料、探索新结构和新特性,诸如金属性氢和室温超导体等。高压科学的研究和应用有助于推动科学技术的创新和快速进步,具有广阔的发展前景。陈亚彬课题组长期致力于高压科学研究,结合原位光谱表征和光电探测技术,探究功能材料在高压条件下的力-电/热/磁/化学耦合效应研究,开发功能材料在极端条件下所展现的新晶相、新特性和新应用。


图1. 极端高压下的二维t-FeTe和h-FeTe。


在此基础上,课题组以具有反铁磁序的二维四方FeTe和铁磁序的六方FeTe为研究对象,探索了其在高压条件下的声子振动、力学和电学性能(图1)。高压原位显微拉曼光谱、同步辐射测试结果表明二维四方FeTe在~ 3 GPa时表现出压力诱导的四方晶格结构坍塌,同时也发生了明显的反铁磁相到铁磁相转变,这一结果由原位高压电输运测试证明。通过对比分析两种相结构FeTe的高压原位拉曼结果,发现四方相FeTe的面内杨氏模量要大于六方相FeTe。此外,研究团队发现二维六方FeTe在~ 10 GPa下仍然保持铁磁性,随着压力增大其居里转变温度有所降低,并没有明显的磁相变。通过对比二维四方FeTe和六方FeTe的温度-压力相图(图2),可以看出由于FeTe不同的晶格对称性而产生的性质差异也异常显著。


图2. 二维t-FeTe(a)和h-FeTe(b)的压力—温度相图。


利用基于原子力显微镜的纳米压痕法,课题组成员在硅基悬空基底上探究了二维FeTe材料的杨氏模量(图3)。测试结果表明,四方相FeTe 的杨氏模量随着厚度增加而降低,在 13.2 nm 时,杨氏模量达到 290.9±9.2 GPa,在 22.0 nm 时,杨氏模量减小为 103.6±11.0 GPa,随着纳米片的厚度继续增加,杨氏模量基本保持不变。相反地,六方相FeTe 的杨氏模量随着纳米片的厚度变化不发生改变。对比分析发现,四方FeTe 纳米片的杨氏模量要大于六方FeTe 纳米片的杨氏模量。


图3. 二维FeTe的弹性模量测试。


以上工作得到了武汉大学史建平教授、上科大郭艳峰教授、北理工王秩伟教授、高压科学研究中心陈斌研究员等多个课题组的鼎力支持和合作帮助。研究成果的取得离不开国家自然科学基金委、JKW等单位的项目资助。


全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04384

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202308357



附作者介绍:

韩武孝,北京理工大学2020级博士研究生, 师从陈亚彬教授,研究方向为二维功能材料在极端环境下的相变行为和光电特性。

陈亚彬,教授,博士生导师,获国家高层次青年人才项目支持。长期从事高压高温等极端环境下功能材料的力-电/热/化学耦合效应研究,发展金刚石对顶砧高压高温技术并探究功能材料在多物理场作用下的结构控制与动态调控,旨在开发功能材料在极端条件下所展现的新晶相、新特性和新应用。主持/承担国家自然科学基金委、中组部、JKW等科研项目多项。已发表SCI期刊论文50余篇,总计被引5100余次,包括Nature Commun, Nature Electron, Adv Mater和PNAS等期刊。


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