科学家发现塑性铁磁半导体

无机半导体具有丰富可调的功能特性，是构筑电子、能源与信息器件的核心材料。然而，这类材料在室温下通常表现为脆性强，易发生断裂，进而导致灾难性失效。近年来，一些无机半导体材料被陆续发现具有类似金属的良好塑性，颠覆了其本征脆性的传统认知，为发展柔性与可变形电子器件等新兴技术提供了材料支撑。但具有塑性的无机半导体材料种类较少，且其功能特性主要局限于电学、热学和传感，限制了其应用范围。传统的铁磁金属具有良好的延展性/塑性和金属导电特性，而无机铁磁半导体兼具优异的铁磁性和半导体特性，是发展自旋电子学器件的理想材料。但目前，无机铁磁半导体普遍表现为本征脆性，制约了其可加工性，以及其在柔性器件中的应用潜力。

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所等，发现了新型塑性铁磁半导体CrSiTe₃晶体。CrSiTe₃是层状铁磁半导体材料，研究团队通过自熔剂法生长出块体CrSiTe₃单晶。力学性能测试表明，CrSiTe₃块体单晶在室温下表现出良好的塑性，沿面内方向可承受高达12%的拉伸应变与15%的弯曲应变，沿面外方向可承受40%的压缩应变，与已报道的典型塑性无机半导体材料相当。

为揭示其塑性变形机理，研究团队开展了第一性原理计算，发现CrSiTe₃的优异塑性源于其Te-Te层间47mJ m^-2的滑移能垒、418mJ m^-2的解离能，因而层间容易滑移而不引发解离。化学键分析表明，在滑移过程中，层间Te-Te相互作用始终保持一定强度的化学键连接，使材料难以解离。

磁性测量表明，轧制和弯曲处理后的样品CrSiTe₃的居里温度均稳定在34K，且饱和磁化强度和矫顽力也未发生明显变化。蒙特卡洛模拟发现，层间滑移导致AAC堆垛等亚稳态结构形成后，CrSiTe₃铁磁性保持稳定，磁各向异性仍沿c轴方向且仅发生微小偏差，材料具有与原始ABC堆垛相近的居里温度（35±1K）。上述结果说明，材料的塑性变形对宏观铁磁性能影响甚微。

该研究拓展了塑性无机半导体材料的功能特性与应用范畴，并在块体无机半导体中实现了塑性、半导体特性与本征铁磁有序的协同共存，为发展柔性自旋电子器件提供了新的材料支撑。

相关研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、上海市等的支持。

论文链接

(A) 自旋场效应晶体管示意图；(B) 典型非磁/铁磁材料拉伸率—带隙对比图

实验和理论上探究塑性变形对CrSiTe₃铁磁性质的影响