二维层状铁磁性材料的制备

论文总字数：19011字

摘 要

自从二维石墨烯的发现以来，二维材料得到了巨大的发展。根据Mermin-Wagner理论，在低维材料中由于原子的振动，晶体的长程有序是无法实现的，由此也无法形成长程磁有序。最新的研究表明，二维磁各向异性可以消除这一限制，允许磁有序的发生。作为最近的热门材料值得关注，它是一系列卤素与铬的同晶化合物中的一种，它是铁磁性的二维层状材料，居里点在61 K，并且表现出其它特殊的物性，实验上已经证实其在单层时表现出铁磁性，双层时体层间磁矩反平行排列而表现出反铁磁性，层数增加到三层和块材时，铁磁性又被恢复。

这种二维材料在很多方面都有巨大的利用价值，比如说量子计算机，闪存设备，传感器等等。但是对于的制备工艺比较复杂，条件要求严苛，材料的储存也需要一定的要求，所以导致材料无法大量生产，无法实现商业化，阻止了进一步利用和研究的进程。我们探索了水热法、薄膜生长法等新的实验方法，希望能找到一种简便的制备工艺。

关键字：二维磁性材料，，水热法，薄膜生长法

Abstract

Since the discovery of graphene, two-dimensional materials have been greatly developed. According to the Mermin-Wagner theory, long-range ordering of crystals cannot be achieved due to atomic vibration in low-dimensional materials, and thus long-range magnetic ordering cannot be formed. Recent research shows that two-dimensional magnetic anisotropy can eliminate this limitation and allow magnetic ordering to occur. is worthy of attention as a recent hot material. It is one of a series of isomorphous compounds of halogen and chromium. It is a layers two-dimensional ferromagnetic material with Cuire temperature of 61 K,and exhibits special physical properties. When it is a single layer, it shows ferromagnetic, and changes to anti-ferromagnetiesm in double layers. When the layers increase to three layers and bulk, the ferromagnetism is restored.

This kind of two-dimensional material has great value in many aspects, such as quantum computers, flash memory devices, sensors, and so on. However, the preparation process of is more complicated, the conditions are more stringent, and the storage of materials also requires certain requirements, so the material cannot be mass-produced, commercialization cannot be achieved, and the process of further utilization is prevented. We have explored new and efficient production methods through experiments such as hydrothermal methods and thin film growth methods, and we hope to find a simple preparation process.

KEY WORDS: Two-dimensional magnetic material，，Hydrothermal，Thin film growth method

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 二维材料发展现状 1

1.2.1 石墨烯 1

1.2.2 石墨烯之外的其他材料 2

1.2.3 二维磁性材料 4

1.3 二维材料的制备工艺 5

1.3.1 机械剥离法 5

1.3.2 化学气相沉积法（CVD） 5

1.3.3 气相法 5

1.3.4 沉淀法 5

1.3.5 激光脉冲沉积（PLD） 6

1.4 二维材料的性质和应用 6

1.4.1 导电性 6

1.4.2 透明性和柔韧性 6

1.4.3 光电特性 6

1.4.4 磁性 6

第二章 实验原理 7

2.1 X射线衍射仪（XRD） 7

2.2 扫描电子显微镜(SEM) 7

2.3 磁光克尔效应（MOKE） 8

2.4 的结构特性 8

2.5 的性质相关研究 8

2.6 的制备相关研究 11

第三章 实验内容和实验方法 13

3.1 用水热法制备粉末材料 13

3.1.1 水热法简介 13

3.1.2 实验仪器 13

3.1.3 与HCl(HBr) 13

3.1.4 与HCl(HBr) 14

3.2 薄膜生长法 15

3.2.1 甲基碘化铵与铬 16

3.2.2 无水碘珠与铬 17

第四章 总结 20

致 谢 21

参考文献 22

第一章 绪论

1.1 引言

低维材料一直是现今物理学广泛研究的目标，其中二维材料是指电子仅可以在两个维度的空间中运动，关于二维材料并没有明确的定义，但是有三个条件是被科学家广为接受的，那就是结构有序，在平面上生长，在第三个维度上超薄^[6]。实际上很多材料并不能完全达到单层的效果，或者有些材料的单层性质并不是很好，需要达到三层多层才能展现出它的实用性，甚至有些材料无法独立存在，生长在基底上，那么这些情况下也认为它们就是二维的材料。自2004年石墨烯的发现以来，二维材料的大门被打开了，随后一大批二维材料相接问世。二维材料由于其特殊的结构，往往伴随着很多特异的性质。二维磁性材料更是有广泛的用途，比如在传输技术、存储技术中。概括的说，二维材料由于是单层的，具有很好的透明性，还有它们的原子和电子是裸露在外的，有助于原子核电子的化学修饰，更有利于电子性能的利用，材料的能带表征以及电子传输等性能良好。但是以前，低维的磁性材料是被Mermin-Wagner理论所禁止的^[2]，最近科学家突破了这一限制，提出磁各向异性可以允许低维磁有序的发生。这直接为磁性材料的研究打开了广阔的前进，也直接影响到了信息等相关技术的巨大发展，使整个科学界都受益无穷。但是，二维磁性材料还面临一些不足，其复杂的制备工艺导致无法大量生产这些材料，以及其不稳定性使得其必须有严苛的存储条件，由于对它的研究还处于起步阶段还有更多的性质未被发觉，因此，二维磁性材料还无法被广泛和有效的利用。如果能研究出一种简易有效的制备方法，就会使得磁性材料的使用变得更加便捷广泛。

1.2 二维材料发展现状

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