范德瓦尔斯反铁磁金属单晶及其制备方法

本发明涉及量子磁性材料，尤其涉及一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶及其制备方法。

背景技术：

1、众所周知，二维范德瓦尔斯反铁磁体是一类具有层内铁磁耦合和层间反铁磁耦合的层状结构材料。这类反铁磁材料相对于铁磁材料具有：忽略不计的杂散场、更快更稳定的磁动力学性能以及可能出现的量子效应等优点，吸引了科研工作者的广泛兴趣。然而，由于大部分二维反铁磁体为绝缘体，不利于利用电子自旋来进行信息存储。同时，大部分二维反铁磁材料(如cri3、mnbi2te4、crsbr等)的奈尔温度低于室温，限制了其在自旋电子学方向的商业应用。因此，开发奈尔温度高于室温的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，在构建新型低功耗自旋电子学器件、开发新型信息存储和传输器件等方面具有重大的社会效益和经济价值。

2、目前，对二维范德瓦尔斯反铁磁金属单晶材料的研究，主要集中于feco-ge-te族材料体系中，通过改变器件厚度，研究磁、电等量子物性随厚度变化的依赖关系；或者，对该材料体系中fe和co的化学比例进行操作，调控层间铁磁耦合和反铁磁耦合，研究不同化学比例下晶体的磁基态。主要表现为：当fe：co＝3.2：1.8时，层间耦合主要表现为铁磁耦合，单晶样品整体表现为铁磁性。当fe：co＝2.2：2.8时，层间耦合表现为反铁磁耦合，单晶样品整体表现为层状反铁磁性。尽管上述这些单晶块体的磁有序温度高于室温，但最高也只有340k左右。随着样品层数降低，薄层器件的反铁磁奈尔温度低于室温。因此，为确保薄层器件磁有序温度仍高于室温，需要进一步提高单晶块体的奈尔温度。当fe和co的化学比例介于上述二者之间时，不同层间耦合相互竞争可能诱导更高的磁有序温度。同时，可以通过改变薄层厚度调控层间耦合的类型，实现反铁磁和铁磁性的互相转变和结合，表现出新颖的物理现象，实现更加丰富的器件功能。然而，由于该化学比例区间材料处于亚稳相，样品生长条件苛刻，制备高质量的晶体具有很大的难度。目前还未曾有过同时具有高奈尔温度和可调控层间耦合的反铁磁金属材料及其性能方面的公开报道。有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本发明提供了一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶及其制备方法，该制备方法新颖合理，简单可行，且制作出的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶具有高于室温的奈尔温度和优越的巡游反铁磁性。

2、本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，其为由分子式fe3co2gete2表示的层状结构化合物；从该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶上机械剥离得到的单晶薄层具有于第一厚度范围内呈现出铁磁性、于第二厚度范围内呈现出铁磁性与反铁磁性共存的性质；在所述单晶薄层呈现出铁磁性时，其铁磁居里温度高于室温；在所述单晶薄层呈现出反铁磁性时，其反铁磁奈尔温度亦高于室温。

3、作为本发明的进一步改进，所述第一厚度范围为不大于3nm；所述第二厚度范围为大于3nm。

4、作为本发明的进一步改进，该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的层状结构具有两层te层、以及分别位于两层所述te层之间的ge层和fe/co层。

5、作为本发明的进一步改进，该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的反铁磁奈尔温度不小于370k，在2k时的饱和磁化强度为9.18μb/f.u.；

6、该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的自旋翻转场为2.3t，且其自旋翻转场存在有磁滞回线，磁滞回线的矫顽场为0.6t。

7、本发明还提供了一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，包括以下制作步骤：

8、s1：将fe粉、co粉、ge粉和te粉按配方比混合均匀后密封装入容器内，并于加热设备中生长，得到预烧晶体；

9、s2：将所得预烧晶体粉碎成粉末后与配方量的输运剂混合均匀、并一起密封装入容器内，然后再于加热设备中生长，即得到分子式为fe3co2gete2的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶。

10、作为本发明的进一步改进，上述s1中，所述fe粉、co粉、ge粉和te粉的摩尔比为3：2：1：2；

11、上述s2中，所述输运剂采用碘粉，所述碘粉的添加量为所述预烧晶体重量的10.4％。

12、作为本发明的进一步改进，上述s1的具体制备方法包括：

13、s11：于手套箱内将所述fe粉、co粉、ge粉和te粉按配方比混合均匀，得到混合粉料；

14、s12：将所得混合粉料装入坩埚中后再一起装入石英管中，并将所述石英管中的气压抽至低于1×10-5pa后用真空电弧封管炉封管；

15、s13：将密封好的石英管放入单温区烧结炉内，并于650～730℃温度下煅烧3～5天，即得到所述预烧晶体。

16、作为本发明的进一步改进，在上述s11与s12之间还设有s110，具体为：对所得混合粉料进行研磨、细化，以使所得混合粉料的粒度达到100～200目；

17、在上述s13中，单温区烧结炉的升温速率为4～6℃/min。

18、作为本发明的进一步改进，上述s2的具体制备方法包括：

19、s21：将所得预烧晶体研磨粉碎，得到预烧晶体粉末；

20、s22：将所得预烧晶体粉末与所述输运剂按配方比混合均匀后一起装入石英管中，再将所述石英管中的气压抽至低于1×10-5pa后用真空电弧封管炉封管；

21、s23：将密封好的石英管放入双温区烧结炉内，并于高温区温度为750～900℃、低温区温度为650～730℃的条件下煅烧2～3周，即得到该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶。

22、作为本发明的进一步改进，上述s21中，所得预烧晶体粉末的粒度为100～200目；

23、上述s23中，双温区烧结炉的升温速率亦为4～6℃/min。

24、本发明的有益效果是：1)本发明所得范德瓦尔斯反铁磁金属单晶具有高于室温的奈尔温度和优越的巡游反铁磁性，其中，巡游反铁磁性具体表现为：产品具有良好的金属特性，基态下可实现铁磁性与反铁磁性共存，并表现出可调控的铁磁和反铁磁层间耦合，以及在少层和单层器件中可实现稳定的二维长程铁磁性；因而，本发明所提供的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶是自旋电子学机理研究和实现高性能低功耗自旋电子学器件的理想材料，将对相关领域的应用开发产生积极的促进作用。2)本发明所提供的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法新颖合理，简单可行，且实施成本低。

技术特征：

1.一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，其特征在于：其为由分子式fe3co2gete2表示的层状结构化合物；

2.根据权利要求1所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，其特征在于：所述第一厚度范围为不大于3nm；所述第二厚度范围为大于3nm。

3.根据权利要求1所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，其特征在于：该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的层状结构具有两层te层、以及分别位于两层所述te层之间的ge层和fe/co层。

4.根据权利要求1所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶，其特征在于：该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的反铁磁奈尔温度不小于370k，在2k时的饱和磁化强度为9.18μb/f.u.；

5.一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：包括以下制作步骤：

6.根据权利要求5所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：上述s1中，所述fe粉、co粉、ge粉和te粉的摩尔比为3：2：1：2；

7.根据权利要求5所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：上述s1的具体制备方法包括：

8.根据权利要求7所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：在上述s11与s12之间还设有s110，具体为：对所得混合粉料进行研磨、细化，以使所得混合粉料的粒度达到100～200目；

9.根据权利要求5所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：上述s2的具体制备方法包括：

10.根据权利要求9所述的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶的制备方法，其特征在于：上述s21中，所得预烧晶体粉末的粒度为100～200目；

技术总结本发明公开了一种范德瓦尔斯反铁磁金属单晶及其制备方法，包括：将Fe粉、Co粉、Ge粉和Te粉按配方比混匀后密封装入容器内，并于加热设备中生长得到预烧晶体；将预烧晶体粉碎成粉末后与配方量输运剂混匀并一起密封装入容器内，再于加热设备中生长得到分子式为Fe<subgt;3</subgt;Co<subgt;2</subgt;GeTe<subgt;2</subgt;的范德瓦尔斯反铁磁金属单晶。该制备方法新颖合理、简单可行，从该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶上机械剥离得到的单晶薄层具有于第一厚度范围内呈现出铁磁性、于第二厚度范围内呈现出铁磁性与反铁磁性共存的性质，且在单晶薄层呈现出铁磁性时的铁磁居里温度及呈现出反铁磁性时的反铁磁奈尔温度均高于室温。即，该范德瓦尔斯反铁磁金属单晶具有高于室温的奈尔温度和优越的巡游反铁磁性。技术研发人员：王国鹏,胡荣,田明亮,熊奕敏,胡涛受保护的技术使用者：安徽大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11