北理工課題組在二維磁性材料力學調(diào)控和測試方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-01-16 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
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北京理工大學前沿交叉科學研究院陳亞彬課題組利用極端力學調(diào)控方法，系統(tǒng)研究了二維磁性材料FeTe在極端壓力和溫度下的相變行為和光電特性，精細繪制了二維FeTe的壓力-溫度相圖，該研究成果有望為鐵基功能材料的應用研究提供重要參考。該研究工作于1月11日以“ Pressure-modulated structural and magnetic phase transitions in two-dimensional FeTe: Tetragonal and hexagonal polymorphs ”為題發(fā)表在國際知名期刊《 Nano Letters 》（DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04384），北理工宇航學院2020級博士生韓武孝同學為第一作者，陳亞彬教授為論文通訊作者。此外，該課題組前期利用基于原子力顯微鏡的納米壓痕方法精確測定了二維FeTe材料的力學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)四方相FeTe的彈性模量隨厚度增加而迅速降低；相反地，六方相FeTe的有效模量未體現(xiàn)出厚度依賴性。該研究成果于2023年12月份在國際知名期刊《Small》上發(fā)表（DOI: 10.1002/smll.202308357），北理工力學系2023屆畢業(yè)生余云飛碩士為第一作者。
二維鐵硫族化合物具有豐富的結(jié)構(gòu)、磁性和電子特性，是研究自旋電子學和超導機理的重要載體。其中，F(xiàn)eS和FeSe的超導性均已被實驗證實，且相關研究已經(jīng)證明結(jié)構(gòu)和磁性相變都會對其超導性產(chǎn)生重大影響。理論預測FeTe是一種超導轉(zhuǎn)變溫度更高的新材料，然而這在實驗上卻鮮有報道；令人著迷的是，O、S和Se元素摻雜的FeTe都體現(xiàn)出了超導特性！近期，具有六方結(jié)構(gòu)和鐵磁相的二維FeTe材料被合成出來，這為探究FeTe材料體系的結(jié)構(gòu)-磁性-超導的關聯(lián)特性提供了更多可能性。
當物質(zhì)置于百萬個大氣壓條件下時，其結(jié)構(gòu)、物理和化學等性質(zhì)都會發(fā)生顯著改變。高壓科學技及術可以用于合成新材料、探索新結(jié)構(gòu)和新特性，諸如金屬性氫和室溫超導體等。高壓科學的研究和應用有助于推動科學技術的創(chuàng)新和快速進步，具有廣闊的發(fā)展前景。陳亞彬課題組長期致力于高壓科學研究，結(jié)合原位光譜表征和光電探測技術，探究功能材料在高壓條件下的力-電/熱/磁/化學耦合效應研究，開發(fā)功能材料在極端條件下所展現(xiàn)的新晶相、新特性和新應用。
圖1. 極端高壓下的二維t-FeTe和h-FeTe。
在此基礎上，課題組以具有反鐵磁序的二維四方FeTe和鐵磁序的六方FeTe為研究對象，探索了其在高壓條件下的聲子振動、力學和電學性能（圖1）。高壓原位顯微拉曼光譜、同步輻射測試結(jié)果表明二維四方FeTe在~ 3 GPa時表現(xiàn)出壓力誘導的四方晶格結(jié)構(gòu)坍塌，同時也發(fā)生了明顯的反鐵磁相到鐵磁相轉(zhuǎn)變，這一結(jié)果由原位高壓電輸運測試證明。通過對比分析兩種相結(jié)構(gòu)FeTe的高壓原位拉曼結(jié)果，發(fā)現(xiàn)四方相FeTe的面內(nèi)楊氏模量要大于六方相FeTe。此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)二維六方FeTe在~ 10 GPa下仍然保持鐵磁性，隨著壓力增大其居里轉(zhuǎn)變溫度有所降低，并沒有明顯的磁相變。通過對比二維四方FeTe和六方FeTe的溫度-壓力相圖（圖2），可以看出由于FeTe不同的晶格對稱性而產(chǎn)生的性質(zhì)差異也異常顯著。
圖2. 二維t-FeTe（a）和h-FeTe（b）的壓力—溫度相圖。
利用基于原子力顯微鏡的納米壓痕法，課題組成員在硅基懸空基底上探究了二維FeTe材料的楊氏模量（圖3）。測試結(jié)果表明，四方相FeTe 的楊氏模量隨著厚度增加而降低，在 13.2 nm 時，楊氏模量達到 290.9±9.2 GPa，在 22.0 nm 時，楊氏模量減小為 103.6±11.0 GPa，隨著納米片的厚度繼續(xù)增加，楊氏模量基本保持不變。相反地，六方相FeTe 的楊氏模量隨著納米片的厚度變化不發(fā)生改變。對比分析發(fā)現(xiàn)，四方FeTe 納米片的楊氏模量要大于六方FeTe 納米片的楊氏模量。
圖3. 二維FeTe的彈性模量測試。
以上工作得到了武漢大學史建平教授、上科大郭艷峰教授、北理工王秩偉教授、高壓科學研究中心陳斌研究員等多個課題組的鼎力支持和合作幫助。研究成果的取得離不開國家自然科學基金委、JKW等單位的項目資助。
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04384
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202308357
附作者介紹：
韓武孝，北京理工大學2020級博士研究生, 師從陳亞彬教授，研究方向為二維功能材料在極端環(huán)境下的相變行為和光電特性。
陳亞彬，教授，博士生導師，獲國家高層次青年人才項目支持。長期從事高壓高溫等極端環(huán)境下功能材料的力-電/熱/化學耦合效應研究，發(fā)展金剛石對頂砧高壓高溫技術并探究功能材料在多物理場作用下的結(jié)構(gòu)控制與動態(tài)調(diào)控，旨在開發(fā)功能材料在極端條件下所展現(xiàn)的新晶相、新特性和新應用。主持/承擔國家自然科學基金委、中組部等科研項目多項。已發(fā)表SCI期刊論文50余篇，總計被引5100余次，包括Nature Commun, Nature Electron, Adv Mater和PNAS等期刊。
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