氫雜質誘導二碲化鉬半導體的磁性

近期的一研究展示了氫雜質誘導二碲化鉬（MoTe₂）半導體的磁性，層狀過渡金屬二氯化物（TMDs）是一類有前途的材料，具有光電、超導、催化和拓撲特性。在TMDs中，多態的MoTe2表現出各種電子和磁特性。它的金屬1T'相在≈250K時變成了Td相。後者是一種拓撲的Weyl半金屬，在低溫下具有非常規的超導性。2H-相是環境條件下最穩定的相，是一種間接帶隙半導體，已經成功地集成到電晶體和光電探測器中。

2H -MoTe2被證明是一種磁性半導體，在低溫下，在塊體中表現出一種長程磁秩序，這被暫時歸因於Mo反位點缺陷。然而，沒有其他技術報告了這種長程磁秩序，這種磁性的來源仍然不清楚。

（圖片來源：Credit: Jonas A. Krieger/Paul Scherrer Institute）

事實上，理論計算還預測，除了反位點缺陷外，氫和過渡金屬摻雜物能夠在單層極限下誘導二碲化鉬的自旋極化。由於μ介子可以被認為是一種輕氫同位素，一種可能的解釋是，在μ+SR中觀察到的磁性不是內在的，而是由μ介子本身誘導的。

這項研究表明，氫誘導的磁性狀態在晶體表面保持不變，從而確立了2H -MoTe₂是一種可通過氫摻雜進行切換的磁性半導體，從而為將TMD整合到未來薄膜異質結構中的應用鋪平了道路。

為了揭示這種效應的來源，使用DFT計算了氫雜質誘導的2H -MoTe₂的基態，以及它是如何被單個植入的μ介子所影響。研究首先完善了DFT計算，以重現2H -MoTe₂的電子結構。

總而言之，利用局部磁探針測量、ARPES和理論DFT計算，揭示了2H -MoTe₂是一個瀕臨磁性的半導體。本質的125Te-NMR探針與植入的μ電子自旋探針的比較證實，在μ+SR中觀察到的局部場並不反映內在的長程磁秩序。相反，作為一個類似於氫的孤立雜質，μ子素（氫的同位素）可以被用來“開啟”這個系統中的局部磁矩。

（圖片來源：Credit: Jonas A. Krieger/Paul Scherrer Institute）

這項題為“Hydrogen-impurity induced unconventional magnetism in semiconducting molybdenum ditelluride”的研究已經在2022年6月提前線上出版。這項研究主要由Jonas A. Krieger, Daniel Tay, Igor P. Rusinov, Sourabh Barua等人開展。研究發現了μ子素對局部磁性的影響一直到晶體的表面都沒有改變，這為使用氫雜質將2H -MoTe₂轉化為vdW異質結構的磁性半導體構件鋪平了道路。

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