二维（2D）范德华铁磁半导体由于其在自旋电子学和自旋光电子学中的潜在应用而引起了人们的广泛关注。然而，迄今为止大多数报道的二维范德华铁磁半导体的居里温度远低于室温，其实际应用受到了严重的限制。此外，已报道具有室温磁序的二维金属有机框架（MOF）由于其费米能级附近几乎平坦的能带结构，体系自旋极化载流子具有较大的有效质量和较低迁移率；并且这类MOF材料在紫外可见光范围，光吸收能力较弱，不利于其在自旋光电器件的应用。因此，从理论上发展具有高磁有序温度、高载流子迁移率和优异光捕获能力的二维铁磁半导体对于开发多功能自旋电子学与自旋光电器件具有十分重要的指导意义。

图1. 2D 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。

为解决上述问题，我院低维半导体材料设计与器件模拟团队使用单原子N连接体与金属Cr构建了一种二维Kagome MOF,单层Cr₃(CN₃)₂。基于密度泛函理论的第一性原理计算表明：2D Cr₃(CN₃)₂是一种直接带隙（1.06 eV）铁磁半导体；具有面外易磁轴，属于Ising铁磁体；基于海森堡模型的蒙特卡罗模拟其居里温度高达943 K （图1），是目前报道的铁磁MOF中的最高记录，这种强烈的磁交换作用得益于Cr和N的dyz/xz和pz轨道之间能量和对称性优异的匹配特性（图2）；同时单原子连接体结构特征以及强烈的轨道杂化显著增强体系的能带色散和载流子迁移率（420 cm²·V⁻¹·s⁻¹），与过度金属二硫化物相当；此外，在面内应变调控下，2D Cr₃(CN₃)₂在可见光范围内展现出优异的光吸收能力，可以石墨烯为电极，BN作为保护层构建范德华异质结，应用于自旋光电器件。

图2.（a）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。

研究结果表明2D Cr₃(CN₃)₂是一个理想的铁磁半导体，在自旋电子和自旋光电器件领域具有广阔的应用前景。该工作将推动具有高磁有序温度、高载流子迁移率以及强光吸收等优异性质的多功能二维磁性半导体进一步的研究和应用。

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》期刊上。该研究工作第一单位为合肥工业大学，第一作者为物理系刘小峰博士，汪海迪副研究员为共同一作，通讯作者为合肥工业大学物理系李中军教授、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。研究工作得到了科技部重点研发、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。

刘小峰/图文 高伟清/审核

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03044