本發(fā)明涉及二維高溫鐵磁體，尤其涉及一種基于無金屬的高溫鐵磁性材料及器件的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、有機(jī)/分子磁體是一類具有順磁性的材料，與傳統(tǒng)的金屬基磁性材料相比，有機(jī)/分子磁體具有獨(dú)特的機(jī)械和功能優(yōu)勢，包括低密度、光透明性、高柔韌性、低溫合成和加工、原子水平可調(diào)控和可持續(xù)性。這些實(shí)際的特性發(fā)展出了許多的潛在應(yīng)用，例如高密度數(shù)據(jù)存儲、量子計(jì)算、磁光開關(guān)、自旋電子學(xué)和納米醫(yī)學(xué)器件。然而，盡管基于輕元素構(gòu)建的分子磁體具有十分良好的發(fā)展前景，但有兩個因素嚴(yán)重限制了科研工作者們構(gòu)建基于輕元素的鐵磁性有機(jī)/分子磁體，一是其在常溫常壓的空氣環(huán)境條件下均是不穩(wěn)定的(例如對濕度、溫度敏感等)，二是其磁聚集體自旋中心之間的距離較遠(yuǎn)且相互之間的磁交換作用較弱，導(dǎo)致了分子自由基聚集體材料中在磁體的發(fā)展上受到了極大的限制。

2、而迄今為止的報道中，大多數(shù)基于分子磁體或納米級聚集體的材料均沒有表現(xiàn)出相當(dāng)高的磁有序溫度或較高的磁特性。其本質(zhì)是，與無機(jī)磁體中的金屬自旋中心之間短距離的交換作用(常是化學(xué)鍵)不同，分子自由基材料中，相鄰的自旋中心之間的距離十分長，導(dǎo)致了其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)中的磁耦合相互作用比較弱。因此，尋找一種具有磁長程有序性、強(qiáng)遠(yuǎn)程耦合、強(qiáng)磁化、環(huán)境穩(wěn)定性和高居里溫度的無金屬的鐵磁性材料是領(lǐng)域中亟需發(fā)展的方向。其中，反常霍爾效應(yīng)常被認(rèn)為是量子自旋器件的基礎(chǔ)測試之一。這一現(xiàn)象通過測量材料在外加磁場下的電導(dǎo)變化，揭示了材料內(nèi)部電子的微觀自旋運(yùn)動與磁矩耦合的重要信息。這種測試方法不僅為研究新型材料的電磁輸運(yùn)性質(zhì)提供了有效手段，而且在開發(fā)先進(jìn)的量子信息處理器件時具有潛在的應(yīng)用前景。

3、石墨烯等二維材料提供了一個磁性自旋中心之間交換的平臺，兩個磁性中心之間的間接交換相互作用是可能由二維基平面內(nèi)的巡游電子介導(dǎo)的。這一理論雖然仍是基于計(jì)算，并未有實(shí)驗(yàn)的充分證實(shí)，但它表明，使用石墨烯等高載流子遷移率的二維材料，可以有效地促進(jìn)分子磁體中自旋中心之間的交換相互作用。此外，對于一直伴隨著有機(jī)自由基的固有不穩(wěn)定性問題，它們與二維材料的相互作用也可以提供一個可行的解決方案，且可以解決構(gòu)建分子基鐵磁材料的所有基本挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無金屬的高溫鐵磁性材料。

2、本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題在于提供上述高溫鐵磁性材料的制備方法和應(yīng)用。

3、在一個具體的應(yīng)用中，本發(fā)明還提出了上述高溫鐵磁性材料在制備磁性器件上的應(yīng)用和方法。

4、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于無金屬的高溫鐵磁性材料，所述高溫磁性材料通過利用電化學(xué)插層的方法將有機(jī)自由基分子插入二維材料層間后得到，其中所述有機(jī)自由基分子為吡啉、7,7,8,8-四氰基對苯二醌二甲烷(tcnq)、萘醌(nto)、對苯二酚中的任意一種或多種其中，所述二維材料為石墨烯或以二硫化鉬為代表的過渡金屬二硫化物。

5、本發(fā)明還提出了上述基于無金屬的高溫鐵磁性材料的制備方法，包括如下步驟：

6、a100：將一定有機(jī)自由基分子溶解于溶劑中，超聲溶解，得到分子有機(jī)溶液；

7、a200：用夾具夾持片狀塊體二維材料，具體地在所述二維材料的厚度方向上夾持；

8、a300：將夾持的片狀塊體二維材料部分浸泡在所述分子有機(jī)溶液中，用兩電極分別連接二維材料和合適的對電極；

9、a400：將二者用合適的恒電壓進(jìn)行電化學(xué)插層一定的時間，得到二維分子軌道耦合磁體材料，即高溫鐵磁性材料。

10、具體地，步驟a100中，所述溶劑為二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、異丙醇、環(huán)己烷、丙酮、乙腈中的任意一種；所述分子有機(jī)溶液中分子濃度范圍為5mg/ml～20mg/ml。

11、步驟a200中，步驟a200中，所述片狀塊體二維材料的厚度范圍為0.1mm～0.5mm，長度和寬度范圍為2cm～4cm，面積范圍為2cm2～8cm2。

12、步驟a400中，電化學(xué)插層的條件為：恒電壓范圍為-5v～-20v，反應(yīng)時間為10min～1h，待反應(yīng)結(jié)束后取出二維材料自然干燥。

13、本發(fā)明進(jìn)一步公開了高溫鐵磁性材料在制備器件上的應(yīng)用。

14、本發(fā)明還提出了一種磁性器件，所述磁性器件包括襯底硅片、鈦金八爪電極、上述高溫鐵磁性材料和鋁硅合金導(dǎo)線，其中，所述襯底硅片上帶有氧化層，所述高溫鐵磁性材料通過手撕的方式轉(zhuǎn)移至所述氧化層上，所述鈦金八爪電極蒸鍍附于所述高溫鐵磁性材料及襯底硅片上組成霍爾器件，鋁硅合金導(dǎo)線用于連接鈦金八爪電極至外電路。

15、其中，所述氧化層為氧化硅，所述外電路包括數(shù)字源表。

16、在一種實(shí)施方式中，所述襯底硅片為邊長為2.5cm的正方形；鋁硅合金導(dǎo)線的長度為1-3cm。

17、本發(fā)明還公開了上述磁性器件的制備方法，包括如下步驟：

18、(1)將含有氧化層的硅片制備成黏附有八爪電極的硅片：通過紫外光刻方法在含有氧化層的硅片上掩模八爪電極圖案，利用電子束蒸鍍在硅片上依次蒸鍍金屬鈦和金屬金，其中，金屬鈦?zhàn)鳛轲じ綄?，金屬金作為電極材料；將蒸鍍后的硅片放置于丙酮中浸泡并超聲處理去除八爪電極區(qū)域以外的金屬層，并先后用丙酮和異丙醇將帶有八爪電極的硅片沖洗干凈，并用高純氮?dú)獯蹈桑玫金じ接邪俗﹄姌O的硅片；

19、(2)通過藍(lán)膠帶(ultratype)機(jī)械剝離法將適當(dāng)厚度的二維材料轉(zhuǎn)移至硅片上合適位置，具體包括：

20、將步驟s100得到的具有八爪電極的硅片放置于等離子體發(fā)生器中用氧等離子體清洗，隨后加熱；

21、將二維材料經(jīng)由藍(lán)膠帶(ultratype)對撕得到合適厚度，再而轉(zhuǎn)移至聚二甲基硅氧烷膜(pdms)上，隨后使用轉(zhuǎn)移平臺將二維材料樣品由pdms轉(zhuǎn)移至硅片合適位置；

22、(3)將步驟(2)得到的硅片經(jīng)由旋涂機(jī)旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，加熱一段時間后，通過電子束曝光工藝在硅片上曝光合適單電極圖案，利用電子束蒸鍍在硅片上蒸鍍金屬鈦與金屬金；

23、(4)將步驟(3)得到的蒸鍍后的硅片放置于丙酮中浸泡并超聲處理去除八爪電極區(qū)域以外的金屬層，通過電子束曝光工藝在樣品附近曝光合適窗口，利用電化學(xué)三電極體系，使用碳棒為對電極，ag/agcl為參比電極，并在由pdms材料制備的反應(yīng)室中進(jìn)行電化學(xué)插層反應(yīng)；其中溶液采用高溫鐵磁性材料的制備方法中的條件進(jìn)行制備。

24、(5)將步驟(4)插層后的硅片放置于丙酮中浸泡去除額外的pmma后，利用旋涂機(jī)重新旋涂pmma，在合適的溫度加熱后，通過電子束曝光工藝在硅片上曝光額外霍爾電極圖案，利用電子束蒸鍍在硅片上蒸鍍金屬鈦與金屬金；

25、(6)將步驟(5)得到的蒸鍍后的硅片放置于丙酮中浸泡去除額外的pmma后，得到制備完成的基于無金屬的高溫鐵磁性材料的磁性器件。

26、本發(fā)明還提出了上述磁性器件在負(fù)磁阻及反?；魻柗矫娴膽?yīng)用。

27、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

28、(1)基于有機(jī)分子和二維材料的有機(jī)無機(jī)插層材料體系，本發(fā)明通過改變分子/二維材料，實(shí)現(xiàn)了一系列無金屬的高磁性、高居里溫度的分子插層材料體系；實(shí)現(xiàn)了一種通過改變分子/二維材料體系的載流子濃度來控制磁性差異的材料合成途徑，對有機(jī)/無金屬自旋電子器件和磁阻器件延伸了新的發(fā)展；

29、(2)二維分子軌道耦合磁體材料(即高溫鐵磁性材料)合成方法綠色簡便，磁性器件制備簡單，成本低廉，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值和批量生產(chǎn)價值；

30、(3)可合成一系列不同分子/二維材料的二維分子軌道耦合磁體材料，可針對不同應(yīng)用場景制備不同磁性的材料體系；

31、(4)本發(fā)明磁性器件屬于自旋電子學(xué)領(lǐng)域，針對負(fù)磁阻效應(yīng)以及反?；魻栃?yīng)提出了新的延伸。