近日，我校物理学院低维半导体材料设计与器件模拟团队李中军教授课题组采用第一性原理计算和分子动力学模拟方法，巧妙地引入氮原子（N）连接磁性铬原子（Cr）产生协同效应，设计了一种具有高居里温度、高载流子迁移率、高光吸收率和高稳定性的二维范德华铁磁半导体Cr3(CN3)2。该成果以“Enhanced Direct Exchange Interaction and Hybridization by Single-Atom Linkers for High Curie Temperature and Superior Visible-Light Harvesting in Cr3(CN3)2”为题，发表在Nano Letters上。
二维范德华铁磁半导体在自旋电子学和自旋光电子学领域表现出重要的应用潜力。然而实现基于该类材料的高性能自旋器件仍面临关键问题需要解决。首先，已报道的二维范德华铁磁材料的磁性金属原子之间的d-p-d超交换作用弱，居里温度远低于室温，严重限制材料在室温环境下的应用。其次，这些二维范德华铁磁材料在费米能级附近的电子结构具有明显的平带特征，导致载流子具有较大的有效质量和较低的迁移率，自旋电荷输运表现出明显的局域性。此外，该类材料通常具有较大或较小的带隙，光吸收性能差。
为了解决上述问题，发展具有高居里温度、高载流子迁移率、高光吸收率和高稳定性的二维范德华铁磁半导体，与已报道的研究采用分子体系作为连接体不同，本工作提出采用单个N原子连接磁性金属Cr原子，构建一种基于二维Kagome结构的金属有机框架Cr3(CN3)2。研究结果表明，二维Cr3(CN3)2是一种铁磁半导体，具有1.06eV的直接带隙和面外易磁轴。采用单原子N作为连接单元，一方面可以最大限度地减小磁性Cr原子之间的距离，另一方面，Cr和N原子的dyz/dxz和pz轨道在能量和对称性上具有优异的匹配特性（如图1），两方面协同增强了磁交换相互作用。基于海森堡模型的蒙特卡罗模拟表明，体系的居里温度高达943K（如图2），是目前已报道的金属有机框架铁磁半导体的最高记录。不仅如此，Cr和N原子轨道在能量和对称性上的优异匹配特性还使体系表现出强的轨道杂化，增强了能带色散，获得420cm2·V−1·s−1的载流子迁移率。此外，二维Cr3(CN3)2的适中的直接带隙和对称性匹配的价带与导带使体系表现出强的光吸收特性，在面内应力调控下在可见光范围内光吸收特性得到显著增强。本工作还构建以石墨烯为电极、六方氮化硼作为保护层的基于二维Cr3(CN3)2的三明治异质结，验证了其作为自旋光电子器件的可行性。
图1.（a）二维 Cr3(CN3)2中Cr、C和N原子自旋极化分轨道的能带中心；（b，c）磁交换作用机制示意图。
图2. 二维 Cr3(CN3)2的几何结构、载流子迁移率、居里温度以及光吸收系数。
本研究工作揭示了N原子连接磁性Cr原子产生的协同效应及其机制，表明二维 Cr3(CN3)2是一种理想的铁磁半导体，研究结果为设计和制备具有高居里温度、高载流子迁移率、高光吸收率和高稳定性的多功能二维铁磁半导体提供了新思路。
合肥工业大学为论文第一署名单位，合肥工业大学刘小峰博士和汪海迪副研究员为论文共同第一作者，合肥工业大学李中军教授、中国科学技术大学胡伟研究员和香港城市大学曾晓成教授为论文共同通讯作者。上述研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助以及合肥工业大学超级计算中心的支持。