摘要：该研究提出了一种基于两步插层和阳离子交换的策略，成功在多种二维原子晶体材料（如MoS₂、MoSe₂、MoTe₂、WS₂、WSe₂、WTe₂等）中插入了单价过渡金属阳离子（Cu⁺、Ag⁺）、二价磁性阳离子（Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺）以及三价稀土阳离
该研究提出了一种基于两步插层和阳离子交换的策略，成功在多种二维原子晶体材料（如MoS₂、MoSe₂、MoTe₂、WS₂、WSe₂、WTe₂等）中插入了单价过渡金属阳离子（Cu⁺、Ag⁺）、二价磁性阳离子（Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺）以及三价稀土阳离子（Eu³⁺、Gd³⁺）。这种方法不仅能够在不同的二维晶体材料中高效地插入磁性元素，还能调节它们的磁性排列，提供了可调的磁性超晶格结构，为自旋电子学等领域的发展提供了新的可能性。
图1展示了通过锂插层与阳离子交换的方法制备磁性插层超晶格（MISLs）的原理。图1a说明了传统过渡金属难以直接插入导带高的二维原子晶体（2DACs）中的原因：因其费米能级低，无法有效将电子转移到2DACs中。图1b则提出一种解决方案：先将锂（Li⁺）插层到MoS₂中，再通过阳离子交换，将Li⁺替换为不同的过渡金属或稀土阳离子，从而实现磁性离子的高效插入，构建具有可调磁序的MISLs材料库。
图二展示了不同材料在拉曼光谱下的表征结果，主要对比了原始 MoS₂、LiMoS₂ 和 Co₁/₂ MoS₂ 超晶格的拉曼光谱特征。 图中标记了多个特征峰的位置：黑色虚线表示 A₁g-LA(M) 和 A₁g 峰的位置，蓝色虚线对应 J₁、J₂ 和 J₃ 峰，而红色虚线则是 E₁g 峰的位置。通过拉曼光谱，LiMoS₂ 在锂离子插层过程中，发生了从 2H 相到 1T 相的转变，伴随着新的 J₁、J₂、J₃ 峰的出现，表明了电子注入的影响。而 Co₁/₂ MoS₂ 在交换过程中，A₁g 峰重新回到原位，J₁ 峰消失，表明了部分去掺杂效应的发生。
图3展示了Co₁/₂MoS₂超晶格的原子结构特征。与Li剥离的MoS₂相比，Co₁/₂MoS₂在电子衍射图（SAED）中出现了额外的衍射点，表明晶格结构发生有序改变。高分辨HAADF-STEM图像显示，Co原子有序嵌入MoS₂层间，形成类蜂窝结构。强度线剖面和交叉截面图像结合结构模拟进一步确认：Co原子占据硫层之间的四面体间隙。模拟与实验图像高度一致，说明所建立的结构模型可靠，揭示了Co引入后形成有序超晶格的本质。
图4展示了具有不同过渡金属和稀土金属阳离子（TM+/RE+）插层的磁性插层超晶格（MISLs）的库。图4a中展示了包含紫色、绿色和蓝色金属组合的2DACs（二维层状过渡金属二硫化物，MoS2及其类似物），以及插层阳离子（粉红色标示）的多样性。图4b至x展示了23种不同MISLs的能谱图（EDS mapping），这些样品展示了不同的TM+或RE+阳离子插层，且每种材料的插层浓度和分布均不同。例如，图中展示了Co、Ni、Fe等过渡金属，以及Eu、Gd等稀土金属如何插层进MoS2和其他2DACs（如MoSe2、MoTe2、TiS2等）中。
图5展示了可调磁性有序性的多层过渡金属硫化物（MISLs）的特性。在图a中，Co₁/₂MoS₂超晶格在室温下的磁滞回线（垂直与平行磁场方向）表现了其磁性行为。图b展示了Co₁/₂MoS₂超晶格在50 Oe磁场下的磁化强度随温度的变化，以及零场冷却（ZFC）与场冷却（FC）的差异。
图c则展示了不同Co²⁺浓度下CoₓMoS₂超晶格的矫顽力（蓝线）和磁矩（红线）如何调节。图d比较了不同过渡金属（如Mn、Fe、Ni、Eu、Gd）掺入的MoS₂超晶格在低温（2 K）的磁滞回线特性，展示了不同金属的磁性差异。图e总结了不同Co²⁺浓度下的饱和磁矩与本征矫顽力的关系。图f则展示了CoₓNbSe₂超晶格在不同温度下的磁滞回线，显示了超导与铁磁性共存的特性。
本研究提出了一种通用的锂插层和阳离子交换方法，用于合成具有可调磁性排列的磁性插层超晶格（MISLs）。该方法在低温至中等温度下进行，避免了高温固态合成中常见的熵驱动合金化和相分离问题，从而能够形成具有交替原子层的高度有序超晶格结构。不同于传统的稀磁半导体（DMS），这些超晶格结构能有效防止磁性元素聚集，且具有可调的磁耦合性能，能够在室温或更高温度下展现出强磁性。研究中采用了两步插层和阳离子交换策略，以MoS₂为模型系统，成功合成了包括Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺等磁性过渡金属阳离子在内的多种磁性插层超晶格。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜、KS系列超景深3D数码显微镜以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
来源：凯视迈精密测量