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二維半金屬材料獲驗證 納米級磁性器件開發迎來新可能
2025年07月21日 16:44:34
來源：化工儀器網 點擊量：198
半金屬，指的是介于金屬和非金屬之間的物質。而近日，德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個二維半金屬材料并獲實驗證實。這種材料或將有望成為構建自旋電子元件的基礎。
近日，德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個二維半金屬材料并獲實驗證實。據悉，該材料是一種僅允許單一自旋方向電子導電的材料，有望成為實現自旋電子器件的關鍵材料。
所謂半金屬，指的是介于金屬和非金屬之間的物質。這種物質外表呈現出金屬的特性，但在化學性質上卻表現出金屬和非金屬兩種性質。并且從能帶結構來看，金屬中被電子填充的最高能帶是半滿的或部分填充的，電子能自由運動，有較高的電導率。但又與傳統導體不同，半金屬只允許一種自旋方向的電子通過。正因如此，這種材料在諸多領域具備獨特的優勢。
而二維材料，指的則是厚度僅為原子或分子級別的薄層材料，電子在其中僅能在兩個維度(平面)上自由運動。這類材料通常由單層或少數幾層原子組成，厚度在納米尺度范圍內。同時高比表面積、光學透明性與柔韌性也賦予了這種材料更廣闊的應用場景。
二維半金屬材料相當于具備半金屬的單一自旋方向電子導電特性與二維材料的薄柔特性，這對于材料的應用，有非常積極的影響。
像傳統的半金屬材料，只能在極低溫下工作，且表面易失去自旋極化特性。而此次德國于利希研究中心開發的鐵鈀合金二維半金屬便可以在室溫下實現穩定自旋傳輸，甚至，由于這種材料并不依賴理想的晶體結構，因此理論上可以通過調節鐵的含量還能對其電子特性進行精準調控。
據悉，研究團隊利用范德華擠壓技術，將熔融金屬在高壓下擠壓至單層二硫化鉬(MoS?)夾層中，形成穩定的二維金屬層。這一方法突破了傳統非層狀材料(如金屬)難以剝離至原子級厚度的難題。并且通過自旋分辨動量顯微鏡直接觀察電子行為，證實材料表面僅特定自旋方向的電子參與導電，推翻了學界長期認為“自旋-軌道耦合會破壞半金屬性”的觀點。
與此同時，這種二維半金屬自旋極化方向與磁化方向相反的罕見特性為納米級磁設備解鎖新功能，可能催生全新類別的微型傳感器或量子器件，展現出了非常廣闊的應用前景。或許在不遠的未來，我們能夠見到這種材料被用于自旋濾波器、自旋軌道轉矩系統等電子元件的生產中，享受到這類材料給人類科技帶來的改變。
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