北理工課題組在二維磁性材料力學(xué)調(diào)控和測(cè)試方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-16 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
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北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院陳亞彬課題組利用極端力學(xué)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(xì)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(yīng)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(guó)際知名期刊《 Nano Letters 》（DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04384）,，北理工宇航學(xué)院2020級(jí)博士生韓武孝同學(xué)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(cè)定了二維FeTe材料的力學(xué)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(guó)際知名期刊《Small》上發(fā)表（DOI: 10.1002/smll.202308357），北理工力學(xué)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(xué)和超導(dǎo)機(jī)理的重要載體,。其中,，F(xiàn)eS和FeSe的超導(dǎo)性均已被實(shí)驗(yàn)證實(shí),，且相關(guān)研究已經(jīng)證明結(jié)構(gòu)和磁性相變都會(huì)對(duì)其超導(dǎo)性產(chǎn)生重大影響,。理論預(yù)測(cè)FeTe是一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度更高的新材料，然而這在實(shí)驗(yàn)上卻鮮有報(bào)道,；令人著迷的是,，O、S和Se元素?fù)诫s的FeTe都體現(xiàn)出了超導(dǎo)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(lái)，這為探究FeTe材料體系的結(jié)構(gòu)-磁性-超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)特性提供了更多可能性,。
當(dāng)物質(zhì)置于百萬(wàn)個(gè)大氣壓條件下時(shí),，其結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)等性質(zhì)都會(huì)發(fā)生顯著改變,。高壓科學(xué)技及術(shù)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(dǎo)體等,。高壓科學(xué)的研究和應(yīng)用有助于推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和快速進(jìn)步,，具有廣闊的發(fā)展前景。陳亞彬課題組長(zhǎng)期致力于高壓科學(xué)研究,，結(jié)合原位光譜表征和光電探測(cè)技術(shù),，探究功能材料在高壓條件下的力-電/熱/磁/化學(xué)耦合效應(yīng)研究，開(kāi)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(yīng)用,。
圖1. 極端高壓下的二維t-FeTe和h-FeTe。
在此基礎(chǔ)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(duì)象,，探索了其在高壓條件下的聲子振動(dòng)、力學(xué)和電學(xué)性能（圖1）,。高壓原位顯微拉曼光譜,、同步輻射測(cè)試結(jié)果表明二維四方FeTe在~ 3 GPa時(shí)表現(xiàn)出壓力誘導(dǎo)的四方晶格結(jié)構(gòu)坍塌,，同時(shí)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(yùn)測(cè)試證明,。通過(guò)對(duì)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(tuán)隊(duì)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(méi)有明顯的磁相變,。通過(guò)對(duì)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(duì)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(cè)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(shí)，楊氏模量達(dá)到 290.9±9.2 GPa,，在 22.0 nm 時(shí),，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(duì)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(cè)試,。
以上工作得到了武漢大學(xué)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(xué)研究中心陳斌研究員等多個(gè)課題組的鼎力支持和合作幫助,。研究成果的取得離不開(kāi)國(guó)家自然科學(xué)基金委、JKW等單位的項(xiàng)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(xué)2020級(jí)博士研究生, 師從陳亞彬教授，研究方向?yàn)槎S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(dǎo)師,，獲國(guó)家高層次青年人才項(xiàng)目支持,。長(zhǎng)期從事高壓高溫等極端環(huán)境下功能材料的力-電/熱/化學(xué)耦合效應(yīng)研究,，發(fā)展金剛石對(duì)頂砧高壓高溫技術(shù)并探究功能材料在多物理場(chǎng)作用下的結(jié)構(gòu)控制與動(dòng)態(tài)調(diào)控，旨在開(kāi)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(yīng)用,。主持/承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金委、中組部等科研項(xiàng)目多項(xiàng),。已發(fā)表SCI期刊論文50余篇,，總計(jì)被引5100余次，包括Nature Commun, Nature Electron, Adv Mater和PNAS等期刊,。
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