一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法技術

本發明專利技術公開了一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3?xCoxGeTe2單晶生長方法，所述Fe3GeTe2是Fe、Ge和Te元素以3:1:2化學計量比形成的化合物，它是一種二維鐵磁材料，容易機械剝離、相對難氧化，同時具有較高的居里溫度，強的磁各向異性；摻雜Co取代部分Fe的位置，用于研究其居里溫度TC和磁性的變化；制備方法是化學氣相輸運技術，在碘作為載體下，在恒定溫度的石英管中生長，之后緩慢退火。本發明專利技術所得到的單晶塊體組分均勻，機械剝離得到的納米片尺寸大小在μm量級，厚度在nm量級，有利于對材料進行光刻等微加工工藝，為制備光電子、磁異質結等器件提供更簡單易行的制備工藝。

【技術實現步驟摘要】
一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法
本專利技術屬于半導體鐵磁材料
，特別涉及二維鐵磁結構材料、化學氣相輸運生長方法及其磁學性質的應用。
技術介紹
近年來，二維材料結合本身優異的維度特性，被廣泛的關注和研究。從2004年石墨烯的發現(2010因此獲得諾貝爾物理學獎)，到過渡金屬硫族化物(如二硫化鉬MoS2)，再到最近大量出現的二維鐵磁材料(如GrCl3、Gr2Ge2Te6)，這些新的發現能在自旋電子學、量子材料科學等方面有廣泛而深遠的應用。與普通鐵磁材料相比，二維鐵磁材料Fe3GeTe2最大的特點在于相對穩定性，且磁性有序，層狀材料(層與層之間由范德瓦爾斯鍵連接)并可通過機械剝離獲得大尺度的微納片，從而方便制備相關器件。當二維材料的厚度降低至原子級幅度時可導致很多新奇物理現象的出現，使得二維材料成為當今凝聚態物理和材料科學的研究熱點。二維鐵磁體作為二維材料家族的重要組成部分，因其獨特的物理特性而備受關注。通常，隨著二維鐵磁體厚度的降低，其鐵磁有序居里溫度TC也會降低。我們通過化學氣象輸運(CVT)生長了高質量的單晶塊體，研究不同厚度的Fe3GeTe2微納片在不同溫度和不同磁場角度下的電磁輸運，發現其具有較高的居里溫度(體相≈220K，隨著厚度的降低，居里溫度降低)、強的面外磁各向異性、大的矯頑場、方形的磁滯回線及其鐵磁本質的依據---反?；魻柆F象。同時，我們還對其復雜的磁性進行了研究，從少層到塊體材料，在升溫過程中，其面外磁性是在鐵磁與反鐵磁的相互競爭到順磁的轉變，而面內磁性是在其居里溫度附近有鐵磁到順磁的轉變。在此基礎上，還可以設計基于二維材料的Fe3GeTe2/MoS2/Fe3GeTe2的自旋閥器件，來研究其隧道磁阻(TMR)和自旋極化率，并可通過離子液體和柵壓來調控。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，提供一種方便生長大塊、高質量Fe3GeTe2單晶和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶的制備方法及塊體、器件相關性質的表征，通過低場PPMS磁輸運測試，表現出鐵磁性和金屬性，機械剝離得到的納米片是高質量的單晶納米結構，具有良好的面外磁性，較高的居里溫度(塊體高達220K)，強的磁各向異性，塊體顏色呈銀白色。為解決上述問題，本專利技術所采取的技術方案如下：本專利技術的技術方案是：提供一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法，如下：步驟1：將Fe粉、Ge粉和Te粉按比例3:1:2混合均勻放入石英管中，放入少許碘顆粒，用機械泵將氣壓抽至低于0.1mbar后封管；步驟2：將封管后的石英管放入高溫管式爐中，水平放置，24h內原料端溫度升至850℃，沉積端溫度升至750℃，便于長出大塊單晶；步驟3：保溫7天后，24h降溫至室溫；步驟4：先將Fe塊、Co塊、Ge塊和Te塊高溫熔化，冷卻結晶形成多晶塊體，再充分研磨形成多晶粉末，再將粉末重復步驟1-3，得到摻入Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶塊體。作為上述技術方案的改進，所述Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2塊體，都是高質量的二維鐵磁材料化合物，容易機械剝離、相對難氧化，Fe以+2、+3價存在，顏色銀白色，單晶尺度cm級，并可剝離為表面平整、較薄的片狀，制備相關納米器件；所述的材料是單晶的。上述化學氣相沉積方法設備簡單，易操作，制備參數易調整，且工藝重復性好，具有較高的制備效率，并且可拓展到制備其它高質量的硒化物納米結構。本專利技術與現有技術相比較，本專利技術的實施效果如下：提供了一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法，單晶塊體具有金屬性、容易機械剝離，制備相關納米器件，而化學氣相輸運方法是目前較為簡單、易行的材料制備技術。本專利技術利用化學氣相沉積技術，以及退火工藝能提高Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2塊體材料的尺寸，從而有利于進一步研發相關磁異質結構以及新型的磁存儲技術器件。附圖說明圖1為化學氣相輸運(CVT)儀器結構示意圖；圖2為Fe3GeTe2塊體的掃描電子顯微鏡圖像；圖3為Fe3GeTe2塊體的X射線衍射圖譜；圖4為機械剝離得到的12.8nm在不同溫度下的拉曼光譜；圖5為特征峰位于128cm-1、146cm-1附近峰位隨溫度的變化情況；圖6為Fe3GeTe2塊體在2K下面內、面外的磁輸運；圖7為Fe3GeTe2納米器件電阻隨溫度的關系R-T曲線；圖8為Fe3GeTe2納米器件在2K下霍爾電阻隨角度的磁輸運；圖9為2K、85度下霍爾電阻隨角度的磁輸運的擬合；圖10為不同溫度下擬合得到的KA值；圖11為摻入Co后Fe3-xCoxGeTe2在10K下的面外磁輸運。附圖標記說明：1、2-加熱絲，3-大玻璃管，4、8-石英棉，5-石英管，6-底座支架，7-樣品粉末。具體實施方式下面將結合具體的實施例來說明本專利技術的內容。一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法，如下：步驟1：將Fe粉、Ge粉和Te粉按比例3:1:2混合均勻放入石英管中，放入少許碘顆粒，用機械泵將氣壓抽至低于0.1mbar后封管；本步驟中不用研磨，防止與空氣過多接觸氧化和研磨過程中原料的少量丟失，碘顆粒作為載體。步驟2：將封管后的石英管放入高溫管式爐中，水平放置，24h內原料端溫度升至850℃，沉積端溫度升至750℃，便于長出大塊單晶；本步驟也可以稍微傾斜沉積端輕微高于原料端。步驟3：保溫7天后，24h降溫至室溫；本步驟中保溫期間會緩慢結晶，形成大塊、白色的單晶。步驟4：先將Fe塊、Co塊、Ge塊和Te塊高溫熔化，冷卻結晶形成多晶塊體，再充分研磨形成多晶粉末，再將粉末重復步驟1-3，得到摻入Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶塊體。本步驟中由于Fe容易氧化，Fe和Co熔點過高，要注意高溫熔化的溫度和氧壓的控制。在掃描電子顯微鏡(SEM)、電子衍射能譜(EDS)、拉曼光譜(Raman)儀、X射線衍射光譜儀(XRD)的表征下，得到圖2，圖3，圖4，圖5以及圖6的圖像和數據。拉曼光譜的振動模式顯示特征峰位于126cm-1、148cm-1，X射線衍射光譜表明樣品很好的單晶特性，取向為001方向，磁輸運的數據顯示了很好的二維鐵磁性。以上所得的Fe3GeTe2塊體的生長以及結構和性能分析主要使用了如下儀器：X射線衍射圖譜由南京大學現代工學院學院X射線衍射儀給出；采用JSM-7000F熱場發射掃描電子顯微鏡分析樣品表面形貌；采用HORIBA公司的顯微拉曼光譜儀LabRAMHR配合514.5nmAr+激光光源測試樣品的拉曼光譜；磁輸運測試由PPMS完成；流量顯示儀，北京七星華創電子股份有限公司；電阻真空計，成都正華儀器設備有限公本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法，其特征在于：所述生長方法如下：/n步驟1：將Fe粉、Ge粉和Te粉按比例3:1:2混合均勻放入石英管中，放入少許碘顆粒，用機械泵將氣壓抽至低于0.1mbar后封管；/n步驟2：將封管后的石英管放入高溫管式爐中，水平放置，24h內原料端溫度升至850℃，沉積端溫度升至750℃，便于長出大塊單晶；/n步驟3：保溫7天后，24h降溫至室溫；/n步驟4：先將Fe塊、Co塊、Ge塊和Te塊高溫熔化，冷卻結晶形成多晶塊體，再充分研磨形成多晶粉末，再將粉末重復步驟1-3，得到摻入Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶塊體。/n

【技術特征摘要】
1.一種二維鐵磁材料Fe3GeTe2和摻Co的Fe3-xCoxGeTe2單晶生長方法，其特征在于：所述生長方法如下：
步驟1：將Fe粉、Ge粉和Te粉按比例3:1:2混合均勻放入石英管中，放入少許碘顆粒，用機械泵將氣壓抽至低于0.1mbar后封管；
步驟2：將封管后的石英管放入高溫管式爐中，水平放置，24h內原料端溫度升至850℃，沉積端溫度升至750℃，便于長出大塊單晶；
步驟3：保溫7天后，24h降溫至室溫；
步驟4：先將Fe塊、Co塊、Ge塊和Te塊高溫熔化，冷...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李焱，
申請(專利權)人：李焱，
類型：發明
國別省市：湖北;42