二維壓電鐵磁半導(dǎo)體材料在信息存儲(chǔ)和量子計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，目前報(bào)道的大部分二維壓電鐵磁半導(dǎo)體材料的居里溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，這極大地限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，尋找新型具有室溫以上磁有序的二維壓電半導(dǎo)體材料對(duì)于信息存儲(chǔ)和量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。二維氮化碳基寬禁帶半導(dǎo)體材料具有長(zhǎng)的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，在信息存儲(chǔ)器件中有巨大的應(yīng)用前景。前期的研究證實(shí)，其在室溫條件下具有較強(qiáng)的面內(nèi)壓電性，這歸因于非中心對(duì)稱的三角形納米孔。然而該材料本身沒(méi)有未配對(duì)電子，表現(xiàn)為本征抗磁性，這限制了其在信息存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用。究其原因在于，目前制備的二維氮化碳為非晶態(tài)且有很多氨基，這限制了其本征磁性。因此，制備出高結(jié)晶性的二維氮化碳進(jìn)而研究其本征磁性、壓電性具有重要意義。

近日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)劉艷教授、王勇副教授通過(guò)改變前驅(qū)體以及熱縮聚參數(shù)，成功制備出高結(jié)晶二維氮化碳。結(jié)構(gòu)表證和理論計(jì)算證實(shí)：i）樣品表現(xiàn)出半導(dǎo)體屬性（帶隙為 1.8 eV），同時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生反演對(duì)稱性破缺；ii）在高度有序的七嗪結(jié)構(gòu)中引入了C-O-C鍵，進(jìn)而獲得局域自旋并實(shí)現(xiàn)磁有序，從而獲得強(qiáng)的室溫鐵磁性；iii) 結(jié)晶氮化碳在室溫下表現(xiàn)出壓電和鐵磁特性，同時(shí)應(yīng)力可以有效調(diào)控室溫下的磁性行為和壓電勢(shì)。該研究工作可為二維半導(dǎo)體材料的室溫鐵磁性與壓電性研究提供一定的參考價(jià)值，有望為信息存儲(chǔ)和量子計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域提供更好的解決方案。

圖1. CCN 的結(jié)構(gòu)表征：（a）原子結(jié)構(gòu)俯視圖。(b) TEM 圖像。(c) SAED 圖像。(d) 高分辨率 TEM 圖像，(e) 為紅框區(qū)域放大圖像，(f) 為相應(yīng)的晶格條紋。(g-j）使用球差校正透射電子顯微鏡獲取的 EDS 元素圖譜圖像。

圖2. CCN 的能帶和結(jié)構(gòu)表征：(a) C K 邊 XANES 光譜。(b) N K 邊 XANES 光譜。(c) 傅立葉變換紅外光譜。(d) C 1s 和 (e) O 1s XPS 光譜。(f) 紫外-可見(jiàn)吸收光譜，插圖為 Kudelka-Munk 圖。(g) CCN 納米片在 1550 納米激光下的隨功率變化的 SHG 光譜。(h) SHG 強(qiáng)度與激發(fā)功率的對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系。紅線是通過(guò)線性擬合得到的。(i) 總 SHG 強(qiáng)度與激發(fā)光束偏振角函數(shù)的極坐標(biāo)圖。點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，連續(xù)線段為擬合值。

圖3. CCN 的壓電力顯微鏡表征：（a）46 nm厚 CCN 的 AFM 形貌圖。(b) PFM 掃描區(qū)域的形貌圖。(c) CCN 的垂直和（d）橫向共振峰。(e) 在 4 V 激勵(lì)電壓下的面外和 (f) 面內(nèi)振幅圖。(g) 垂直和 (h) 橫向共振峰與激勵(lì)電壓的線性關(guān)系。(i) 4 V激勵(lì)電壓下的面外和 (j) 面內(nèi)相位圖像。(k) 面外和 (l) 面內(nèi)相對(duì)于激勵(lì)電壓的統(tǒng)計(jì)振幅。

圖4. CCN 的磁力顯微鏡表征：（a）厚度為 21.8 nm的 CCN 的 AFM 形貌。(b) 通過(guò)預(yù)磁化 MFM 探針獲得的相應(yīng) MFM 相位圖。(c) CCN 納米片上 MFM 相位形貌耦合的三維圖像。(d-i）選定區(qū)域（d-f）的 MFM 相角分布（g-i），紅色區(qū)域?yàn)榛?，藍(lán)色區(qū)域?yàn)镃CN。選區(qū)邊寬分別為 200 nm、100 nm 和 30 nm。

圖5. CCN 的 DFT 計(jì)算褶皺區(qū)域的磁力顯微鏡表征：（a）CCN 的自旋極化電荷密度分布。黃色代表自旋向上，藍(lán)色代表自旋向下。(b) CCN 的帶狀結(jié)構(gòu)和 (c) 態(tài)密度。(d) 厚度為84 nm的 CCN 的原子力顯微鏡形貌圖；紅色方框表示 MFM 測(cè)試區(qū)域。(e) 區(qū)域 1 內(nèi) MFM 相位形貌耦合的三維圖像。(f) 區(qū)域 1 的 SKPM 電位。(g) 區(qū)域 1 截面線 1 上的高度、MFM 相位和電位變化曲線。(h) 皺褶區(qū)域 1 的 COMSOL 模擬應(yīng)變圖。(i) 區(qū)域 1 截面線 1 上的總應(yīng)變百分比。

王勇，國(guó)家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（合作導(dǎo)師：郝躍院士），陜西省高層次青年人才，小米青年學(xué)者。已主持/參與國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省高層次人才計(jì)劃以及中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目。長(zhǎng)期專注于信息存儲(chǔ)材料與器件研究，相關(guān)成果發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中以第一/通訊作者在Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Research等國(guó)內(nèi)外主流期刊發(fā)表30余篇。

劉艷，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，入選西安電子科技大學(xué)菁英計(jì)劃與華山學(xué)者。劉艷教授長(zhǎng)期從事新型半導(dǎo)體功能器件方面的研究，在微納光子器件、后摩爾微電子新器件以及光電融合和集成方面進(jìn)行了大量開(kāi)拓性研究?，F(xiàn)承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目和重大項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等多項(xiàng)研究項(xiàng)目。在IEDM、IEEE EDL、Optics Express、Laser & Photonics Reviews等微電子與光電主流會(huì)議和期刊上發(fā)表論文150多篇，申請(qǐng)專利40多項(xiàng)，做各類邀請(qǐng)報(bào)告10余次。

Wang Y, Yang D, Xu W, et al. Room-temperature ferromagnetism and piezoelectricity in metal-free 2D semiconductor crystalline carbon nitride. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6491-y.