本發(fā)明涉及二維材料及其制備，尤其涉及一種二維鐵磁cr1-xvxi3單晶及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、二維范德華材料已發(fā)展成具有金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、半金屬以及各種拓?fù)洳牧系拇蠹易宀⒕哂袃?yōu)異的磁電、光電等性質(zhì)，特別是磁性二維范德華材料的發(fā)現(xiàn)，為低功耗自旋電子器件的發(fā)展提供了機(jī)遇。且二維范德華材料具有無懸掛鍵的光滑表面，可通過范德華力任意堆垛組裝成范德華異質(zhì)結(jié)器件，實現(xiàn)更多超越傳統(tǒng)電子和光電子器件的應(yīng)用。隨著二維本征磁性晶體的發(fā)現(xiàn)，為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件添加更多的功能，為突破性器件的應(yīng)用提供更令人興奮的機(jī)會。

2、然而，現(xiàn)有的二維范德華材料具有單晶尺寸較小且產(chǎn)量有限的缺陷，這導(dǎo)致其制備過程復(fù)雜且成本高昂。

3、為此，本發(fā)明提供一種二維鐵磁cr1-xvxi3單晶及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種二維鐵磁cr1-xvxi3單晶及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明以cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒為原料，采用化學(xué)氣相輸運(yùn)法，使得v均勻摻雜于cri3中，并部分取代cri3中的cr位，從而打破cri3的晶格對稱性，導(dǎo)致cr1-xvxi3中因具有固有的反向?qū)ΨQ破缺而產(chǎn)生非平庸拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，獲得具有奇異量子態(tài)的二維磁性cr1-xvxi3單晶。且本發(fā)明通過控制在化學(xué)氣相輸運(yùn)過程中，管式爐的生長端的保溫時間大于反應(yīng)端的保溫時間，能大大提高二維磁性cr1-xvxi3單晶的尺寸和產(chǎn)率。

2、本發(fā)明的一種二維鐵磁cr1-xvxi3單晶及其制備方法是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明的第一個目的是提供一種二維鐵磁cr1-xvxi3單晶，所述二維鐵磁cr1-xvxi3單晶以cri3為基質(zhì)，通過摻雜引入v，以部分取代cri3中的cr位獲得，且化學(xué)式為cr1-xvxi3；其中，x為v在cri3中cr位的摻雜摩爾百分比，且x的取值范圍為10％～90％。

4、本發(fā)明的第二個目的是提供一種上述二維鐵磁cr1-xvxi3單晶的制備方法，本發(fā)明基于化學(xué)氣相輸運(yùn)法操作簡便且能夠生長出高質(zhì)量單晶的優(yōu)勢，優(yōu)選采用該方法進(jìn)行制備，以實現(xiàn)生長出高質(zhì)量的cr1-xvxi3單晶的目標(biāo)。且具體通過以下步驟實現(xiàn)：

5、步驟1，按照化學(xué)式cr1-xvxi3中的化學(xué)計量比，稱取相應(yīng)質(zhì)量的cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒并混勻，獲得混合粉體。

6、需要說明的是，本發(fā)明考慮到需將v單質(zhì)均勻摻入cr晶格中，并保證單晶中各元素的摩爾比與稱量時的比例一致，優(yōu)選高純度cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒作為原料，從而實現(xiàn)獲得成分均勻的單晶的目標(biāo)。

7、為了確保能夠?qū)r單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆?；旌暇鶆?，以便于后續(xù)形成組分均一的二維磁性cr1-xvxi3單晶，在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，采用研磨的方式將所述cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆?；靹颍已心ブ了龌旌戏垠w的粒徑為5μm～20μm。比如，在本發(fā)明另一些優(yōu)選的實施例中，采用研缽研磨0.5h～1.5h，以使cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒混勻。

8、本發(fā)明為了便于將cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒混勻，在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述cr單質(zhì)粉末的粒徑為5μm～8μm。在本發(fā)明另一些優(yōu)選的實施例中，所述v單質(zhì)粉末的粒徑為15μm～20μm。

9、步驟2，將所述混合粉體放入石英管中，抽真空后密封，隨后將密封后的石英管置于管式爐中，將管式爐的反應(yīng)端的溫度升至800℃～900℃，將管式爐的生長端的溫度升至700℃～800℃。

10、需要說明的是，本發(fā)明考慮到均勻摻入v單質(zhì)并保證單晶中各元素摩爾比符合稱量時比例的因素，將管式爐的反應(yīng)端溫度升至800℃～900℃，使輸運(yùn)劑i單質(zhì)顆粒在高溫端受熱揮發(fā)，充分與cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末在該溫度范圍內(nèi)發(fā)生正向可逆反應(yīng)，生成氣態(tài)中間產(chǎn)物二元碘化物，其中i單質(zhì)顆粒即做輸運(yùn)劑又做反應(yīng)物。將管式爐的生長端溫度升至700℃～800℃，使氣態(tài)中間產(chǎn)物在溫度梯度的作用下向低溫端擴(kuò)散輸運(yùn)，并在低溫端發(fā)生逆向可逆反應(yīng)，生成目標(biāo)產(chǎn)物cr1-xvxi3，在低溫區(qū)緩慢成核和長大，進(jìn)而實現(xiàn)獲得具有均勻成分和大尺寸單晶的目標(biāo)。

11、且在加熱過程中，需要使所述管式爐的反應(yīng)端和生長端的溫度差為80℃～120℃，用以建立溫度梯度，以實現(xiàn)氣相中間產(chǎn)物在溫度梯度的作用下傳輸?shù)降蜏囟顺练e并結(jié)晶的目的。

12、需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明為了避免混合粉體中的碘在加熱過程中形成大量碘蒸汽，進(jìn)而導(dǎo)致石英管發(fā)生破裂的情況發(fā)生，故在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述管式爐的反應(yīng)端的升溫速率為0.25℃/min～0.28℃/min。故在本發(fā)明另一些優(yōu)選的實施例中，所述管式爐的生長端的升溫速率為0.22℃/min～0.25℃/min。

13、步驟3，將所述管式爐的反應(yīng)端于800℃～900℃下保溫9980min～10180min后冷卻至室溫，并將所述管式爐的生長端于700℃～800℃下保溫10180min～10380min后冷卻至室溫，在所述石英管的生長端得到所述二維磁性cr1-xvxi3單晶。

14、需要說明的是，本發(fā)明為了確保制備出大尺寸和高產(chǎn)量cr1-xvxi3，使管式爐的生長端的保溫時間大于反應(yīng)端的保溫時間，以使得晶體在生長端緩慢的形成，有助于增加晶粒尺寸和減少晶粒缺陷，從而實現(xiàn)在生長端中形成大尺寸高質(zhì)量cr1-xvxi3單晶的目標(biāo)。

15、為了確保能夠在生長端緩慢結(jié)晶形成二維磁性cr1-xvxi3單晶，在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例中，所述管式爐的反應(yīng)端和生長端的保溫時間差為170min～230min。

16、本發(fā)明的第三個目的是提供一種上述二維鐵磁cr1-xvxi3單晶在制備范德華異質(zhì)結(jié)器件中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

18、本發(fā)明以cr單質(zhì)粉末、v單質(zhì)粉末和i單質(zhì)顆粒為原料，采用化學(xué)氣相輸運(yùn)法，使得v均勻摻雜于cri3中，并部分取代cri3中的cr位，從而打破cri3的晶格對稱性，導(dǎo)致cr1-xvxi3中因具有固有的反向?qū)ΨQ破缺而產(chǎn)生非平庸拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，獲得具有奇異量子態(tài)的二維磁性cr1-xvxi3單晶。且本發(fā)明通過控制在化學(xué)氣相輸運(yùn)法制備過程中，管式爐的生長端的保溫時間大于反應(yīng)端的保溫時間，能大大提高二維磁性cr1-xvxi3單晶的尺寸和產(chǎn)率。

19、本發(fā)明的制備方法簡單易操作，易于推廣進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)使用。且本發(fā)明的制備方法獲得的二維磁性cr1-xvxi3單晶具有大尺寸、高產(chǎn)量、高質(zhì)量的特點(diǎn)。

20、且經(jīng)測試表明，本發(fā)明獲得的二維磁性cr1-xvxi3單晶的塊體尺寸可達(dá)厘米量級，可通過機(jī)械剝離輕易制備出表面光滑，尺寸在微米量級，厚度在納米量級的薄層。磁學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果表明，本發(fā)明獲得的二維磁性cr1-xvxi3單晶具有較強(qiáng)的磁各向異性，且易磁軸為面外，在升溫過程中，在居里溫度附近出現(xiàn)鐵磁到順磁性的相變。且利用磁光克爾技術(shù)測試可知，本發(fā)明獲得的二維鐵磁cr1-xvxi3薄片的磁滯回線中存在反對稱克爾峰，結(jié)合理論計算確定克爾峰起源于磁斯格明子，是拓?fù)潆姾傻谋憩F(xiàn)形式之一，被稱為拓?fù)淇藸栃?yīng)，表明本發(fā)明獲得的二維磁性cr1-xvxi3單晶是一種具有新型自旋有序的鐵磁半導(dǎo)體材料。