蘇州納米所康黎星等在碳納米管限域合成一維磁性原子鏈研究方面取得新進(jìn)展
低維磁性材料由于其特殊的磁學(xué)性質(zhì)，在基礎(chǔ)理論發(fā)展和自旋電子器件應(yīng)用均有重要研究價(jià)值，因而引起了研究人員的廣泛興趣。二維磁性材料研究在過去的十多年里取得了長足進(jìn)展，如鉻基鹵化物范德瓦爾斯磁體 CrX3（X=I、Br、Cl）具有高度可調(diào)的磁性能，表現(xiàn)出明顯的層數(shù)依賴。然而，這些奇妙的特性能否從二維延續(xù)到一維是一個(gè)極具吸引力和挑戰(zhàn)性的問題。合成高質(zhì)量一維磁性原子鏈?zhǔn)茄芯科湮锢硖匦缘闹匾疤?。然而，將二維宏觀尺寸縮小到一維原子鏈，必然會導(dǎo)致卷曲和不穩(wěn)定，這使得合成和表征非常具有挑戰(zhàn)性。
針對上述問題，中國科學(xué)院蘇州納米所康黎星研究員等人采用碘輔助真空化學(xué)氣相傳輸（I-VCVT）方法，以碳納米管為模板，在其空腔內(nèi)部高效率地制備了高質(zhì)量一維CrCl3原子鏈，并在光譜研究中發(fā)現(xiàn)了一維原子鏈結(jié)構(gòu)與碳納米管之間的電荷轉(zhuǎn)移。對該體系動態(tài)磁性的全面研究發(fā)現(xiàn)，一維CrCl3原子鏈在3 K左右存在自旋玻璃態(tài)凍結(jié)。該工作為控制合成一維磁性原子鏈提供了一個(gè)有效的策略，其豐富的磁學(xué)性質(zhì)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)充分研究其內(nèi)在物理機(jī)制，也為未來開發(fā)基于一維磁性的自旋電子器件提供了基礎(chǔ)。
圖1. 一維 CrCl3 原子鏈的合成方法示意圖和結(jié)構(gòu)圖
使用化學(xué)氣相傳輸中常用的碘作為氣相傳輸劑，增強(qiáng)了前驅(qū)體從碳納米管表面向內(nèi)部的擴(kuò)散行為，從而獲得了結(jié)晶質(zhì)量優(yōu)異的高連續(xù)性一維CrCl3原子鏈。
圖2. 1D CrCl3 原子鏈在 SWCNT 中的封裝
大范圍的STEM以及EDX元素圖譜的掃描表明一維 CrCl3 原子鏈被高效及均勻地封裝在 SWCNT 的空腔內(nèi)，原子分辨的低壓TEM以及模擬圖揭示了被封裝的一維CrCl3原子鏈的結(jié)構(gòu)。
圖3. CrCl3@SWCNTs 的拉曼和 XPS 表征
Raman表征發(fā)現(xiàn)了碳納米管與封裝物之間的主客體電荷轉(zhuǎn)移，以及由此產(chǎn)生的G模式藍(lán)移和RBM模式的抑制，XPS的C 1s峰向低能量移動佐證了主客體電荷轉(zhuǎn)移。
圖4. CrCl3@SWCNT 的直流和交流磁行為
對該體系動態(tài)磁性的全面研究發(fā)現(xiàn)，一維 CrCl3原子鏈在3 K左右存在自旋玻璃態(tài)凍結(jié)，且在高場時(shí)存在磁場誘導(dǎo)有序相。
相關(guān)工作以Efficient Synthesis of Highly Crystalline One-Dimensional CrCl3 Atomic Chains with a Spin Glass State為題發(fā)表于ACS Nano，中國科學(xué)院蘇州納米所博士生李云飛和博士后李阿蕾、李晶為論文共同第一作者。上?？萍即髮W(xué)曹克誠研究員和中國科學(xué)院蘇州納米所康黎星研究員、李清文研究員為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省青年基金和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雛鷹基金”等項(xiàng)目的支持。
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