张艳锋课题组与合作者实现了二维铁基硫化物材料的可控生长，揭示了其独特的磁阻交叉效应和超高电导率
发布时间: 2026-07-09 10:49:29
在人工智能、量子计算、高密度存储技术飞速迭代的当下，二维量子材料凭借原子级的超薄厚度、独特的电子结构和可调控的物理特性，已然成为支撑下一代电子器件革新的重要选择。在众多二维材料体系中，二维铁基硫族化合物因具有丰富的结构和相态、可调的化学计量比，以及由此产生的多样的物理性质而受到广泛关注。前期研究在二维硒化亚铁（FeSe）、碲化亚铁（FeTe）及相关插层化合物中发现了界面超导、二维铁磁性、拓扑表面态、配对密度波和反常磁阻等新奇性质，其在自旋电子学和量子计算中的应用也被寄予厚望。
其中，硫化亚铁（FeS）作为一种典型的铁基硫族化合物，其块材已被证实具有交错磁性和室温自发霍尔效应，是极具潜力的新型磁存储材料。基于块材FeS优异的磁电性质，拓展其二维极限下的材料研究，对挖掘其全新物理特性、拓宽磁存储应用场景具有重要意义。因此，二维FeS的制备和物性研究是领域内的前沿课题，但仍鲜有报道，这主要是因为其可控制备仍存在巨大挑战。传统的开放式化学气相沉积法会导致前驱体供给速率过快，容易生成厚块状产物；分子筛辅助的前驱体供给策略虽然能降低前驱体浓度并得到超薄纳米片，但其晶畴尺寸偏小，存在杂质污染，且极易形成铁空位缺陷等，影响其化学计量比和晶体质量。此外，FeS在二维极限下的电学、磁学特性等物性研究仍亟需开展，其在新型磁存储器件、量子器件中的应用也仍亟需发掘。
针对以上难题，北京大学材料科学与工程学院张艳锋教授课题组联合北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授课题组葛军特聘副研究员，发展了一种空间限域化学气相沉积策略，成功实现了超薄、大尺寸、高相纯度、高空气稳定性的二维FeS材料的可控生长，并揭示了其独特的磁阻交叉效应和超高电导率，和其在高性能低维电子学器件方面的应用潜力。相关成果以《空间限域化学气相沉积制备兼具磁阻交叉效应与超高电导率的二维硫化亚铁》（“Space-Confined Chemical Vapor Deposition of 2D FeS With Crossover Magnetoresistance and Ultra-High Conductivity”）为题，于2026年6月25日在《先进材料》（Advanced Materials）上发表。
论文截图
相较于传统制备工艺，这项工作提出的空间限域化学气相沉积策略将两块云母生长衬底叠放，在两片衬底之间形成了限域空间，稳定了前驱体的供给速率和化学配比。选用的原子级平滑的云母衬底显著降低了前驱体在生长衬底表面的迁移势垒，有利于材料的横向生长。这些因素使得在生长过程中避免了厚块状产物的形成，最终实现了高质量二维FeS的可控制备。
（a）FeS的原子结构示意图；（b）化学气相沉积实验装置示意图；（c）（d）传统的开放空间化学气相沉积策略和本工作使用的限域空间化学气相沉积策略示意图；（e）开放空间化学气相沉积得到的厚块状产物光镜图像；（f）（g）限域空间化学气相沉积得到的二维FeS纳米片光镜图像；（h）（i）二维FeS纳米片的X射线光电子能谱结果；（j）（k）（l）二维FeS纳米片的拉曼光谱和mapping图像
随后，对获得的样品进行了一系列全面的跨尺度表征，结果表明二维FeS单晶纳米片晶体质量优异，化学计量比精准（1：1），缺陷密度低，且具备良好的空气稳定性，为后续物性研究和器件应用奠定了坚实的材料基础。
（a）二维FeS的二次谐波产生信号；（b）二维FeS的角分辨二次谐波产生图像；（c）二维FeS纳米片的二次谐波产生面扫描图像；（d）大畴区二维FeS纳米片的光镜图像；（e）二维FeS纳米片的低倍率透射电镜图像；（f）（g）（h）二维FeS纳米片不同位置的选区电子衍射花样图像；（i）FeS的模拟选区电子衍射斑点；（j） 二维FeS纳米片的原子分辨透射电镜图像；（k）对（j）中紫色方框的图像强度分析
依托高质量的二维金属性FeS样品，团队首次系统揭示了该材料独特的物理性质。在磁学性质上，研究发现二维FeS具备符号可调的磁阻交叉特性。不同于常规材料单一的磁阻响应规律，二维FeS会随温度降低（从300K降至2K）呈现出“正-负-正”的磁阻特征切换，且在室温环境下仍能保持不饱和的磁阻响应。这一独特的交叉效应，让二维FeS具备较大的磁性调控空间，为新型磁阻存储器、自旋电子器件的研发提供了全新的材料体系。另一方面，该材料拥有媲美传统导电金属的超高电导率（可达2.8×107 S m−1），远超大多数同类二维金属性材料。同时，其与备受关注的二维半导体材料（如单层MoS2）具备匹配的功函数，可作为高性能接触电极应用于场效应晶体管的构筑。经测试，相较于传统Ti/Au金属电极，采用二维FeS作为接触电极的器件迁移率是传统电极接触器件的3倍，这大幅提升了低维电子器件的性能。
（a）二维FeS纳米片温度依赖的磁致电阻测试结果（显示出磁阻交叉特性）；（b）二维FeS纳米片的电导随温度的变化关系（显示出高的电导）；（c）二维FeS纳米片的电导与已有报导的二维金属性材料的对比；（d）二维FeS纳米片和传统的Ti/Au电极用作单层MoS2场效应晶体管接触电极的器件结构示意图；（e）二维FeS与单层MoS2功函数匹配关系示意图；（f）不同电极接触的单层MoS2场效应晶体管的转移曲线
在基础物理研究层面，这项工作补充了二维极限下铁基硫化物物性研究的结果，为深入探索二维交错磁性等前沿基础物理问题，提供了新的材料载体。从器件应用层面，二维FeS集可调磁阻特性、超高电导、高大气稳定性、优异界面适配性于一体，有望实现“一材多用”：既可以作为核心功能材料，应用于下一代磁阻存储器件；也可作为高性能电极与互连材料，适配基于二维材料的低维电子学器件，为微型化、高性能电子设备的迭代升级提供新方案。
北京大学前沿交叉学科研究院博士生周桐为论文第一作者，张艳锋和葛军为论文共同通讯作者。论文得到了王健，北京大学材料科学与工程学院林立研究员、孟繁琦博士，以及北京大学材料加工与测试中心的支持和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技重大专项等的大力支持。
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