——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
無機(jī)半導(dǎo)體具有豐富可調(diào)的功能特性，是構(gòu)筑電子、能源與信息器件的核心材料。然而，這類材料在室溫下通常表現(xiàn)為脆性，易發(fā)生斷裂而導(dǎo)致災(zāi)難性失效。近年來，一些無機(jī)半導(dǎo)體材料被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)具有類似金屬的良好塑性，顛覆了其本征脆性的傳統(tǒng)認(rèn)知，為發(fā)展柔性與可變形電子器件等新興技術(shù)提供了全新的材料支撐。但具有塑性的無機(jī)半導(dǎo)體目前材料種類仍較稀少，且其功能特性主要局限于電學(xué)、熱學(xué)或傳感，限制了其應(yīng)用范圍。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所張家偉研究員、仇鵬飛研究員、史迅研究員和陳立東研究員聯(lián)合東南大學(xué)董帥教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈勝春教授發(fā)現(xiàn)了一種新型塑性鐵磁半導(dǎo)體CrSiTe3晶體。相關(guān)成果以Ductile Inorganic Ferromagnetic Semiconductor為題發(fā)表在 Advanced Materials（2025，DOI: 10.1002/adma.202514083）。上海硅酸鹽所博士畢業(yè)生駱俊與東南大學(xué)博士后陳軍為論文共同第一作者，上海硅酸鹽所張家偉研究員與史迅研究員、東南大學(xué)董帥教授為論文共同通訊作者。
傳統(tǒng)的鐵磁金屬（如Fe、Co、Ni）具有良好的延展性/塑性和金屬導(dǎo)電特性，而無機(jī)鐵磁半導(dǎo)體兼具優(yōu)秀的鐵磁性和半導(dǎo)體特性，是發(fā)展自旋電子學(xué)器件的一種理想材料。但是由于目前無機(jī)鐵磁半導(dǎo)體普遍表現(xiàn)為本征脆性，嚴(yán)重制約其可加工性及其在柔性器件中的應(yīng)用潛力。
CrSiTe3是一種層狀鐵磁半導(dǎo)體材料。研究團(tuán)隊(duì)通過自熔劑法生長塊體CrSiTe3單晶。力學(xué)性能測試表明，CrSiTe3塊體單晶在室溫下表現(xiàn)出良好的塑性，沿面內(nèi)方向可承受高達(dá)12%?的拉伸應(yīng)變與15%?的彎曲應(yīng)變，沿面外方向可承受40%?的壓縮應(yīng)變，與已報(bào)道的典型塑性無機(jī)半導(dǎo)體材料相當(dāng)。
為揭示其塑性變形機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)開展了第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)CrSiTe3的優(yōu)異塑性源于其Te-Te層間低的滑移能壘（47 mJ m-2）、高的解離能（418 mJ m-2），使得層間容易滑移而不引發(fā)解離。化學(xué)鍵分析表明，在滑移過程中，層間Te-Te相互作用始終保持一定強(qiáng)度的化學(xué)鍵連接，使得材料難以解離。
磁性測量表明，無論是軋制還是彎曲處理后的樣品，CrSiTe3的居里溫度均穩(wěn)定在34 K，飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力也未發(fā)生顯著變化。采用蒙特卡洛模擬發(fā)現(xiàn)，層間滑移導(dǎo)致形成AAC堆垛等亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)后，CrSiTe3鐵磁性保持穩(wěn)定，磁各向異性仍沿c軸方向且僅發(fā)生微小偏差，材料具有與原始ABC堆垛相近的居里溫度（35±1 K）。上述結(jié)果說明材料的塑性變形對宏觀鐵磁性能影響甚微。
該研究拓展了塑性無機(jī)半導(dǎo)體材料的功能特性與應(yīng)用范疇，首次在塊體無機(jī)半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)了塑性、半導(dǎo)體特性與本征鐵磁有序的協(xié)同共存，為發(fā)展柔性自旋電子器件提供了全新的材料支撐。
相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院上海分院青年攀登計(jì)劃、上海市科委等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202514083
圖1 (A) 自旋場效應(yīng)晶體管示意圖；(B) 典型非磁/鐵磁材料拉伸率-帶隙對比圖
圖2 (A) 塑性變形后CrSiTe3塊體的光學(xué)照片；(B-D) CrSiTe3的三點(diǎn)彎曲測試(B)、拉伸測試(C)和壓縮測試(D)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖3 實(shí)驗(yàn)和理論上探究塑性變形對CrSiTe3鐵磁性質(zhì)的影響
