2D Magnetic Semiconductor Fe3GeTe2 with Few and Single Layers with a Greatly Enhanced Intrinsic Exchange Bias by Liquid-Phase Exfoliation

材料科学 自旋电子学 剥脱关节 异质结 范德瓦尔斯力 铁磁性 石墨烯 纳米技术 光电子学 化学工程 分析化学(期刊) 凝聚态物理 化学 有机化学 物理 工程类 分子
作者
Suping Ma,Guanghao Li,Zhuo Li,Ya‐Wen Zhang,Haolin Lu,Zhansheng Gao,Jinxiong Wu,Guankui Long,Yi Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 19439-19450 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c09143
摘要

A 2D van der Waals (vdW) magnet can get rid of the constraints of lattice matching and compatibility and then create a variety of vdW heterostructures, which provides a opportunity for spintronic devices. However, the ability to reliably exfoliate large, high-quality vdW ferromagnetic Fe3GeTe2 (FGT) nanoflakes in scaled-up production is severely limited. Herein, an efficient and stable three-stage sonication-assisted liquid-phase exfoliation was developed for mass preparation of high-structural-integrity few- and single-layer FGT nanoflakes with a greatly enhanced intrinsic exchange bias. The three stages include slicing crystals, weakening interlayer vdW forces, and using ultrasonic cavitation. The highest yield of FGT nanoflakes is 22.3 wt % with single layers accounting for 6%. The size is controllable, and several micrometers, tens of micrometers, and a maximum of 103 μm are available. The 200 mg level output has overcome the limitations of mechanical exfoliation and molecular beam epitaxy in economically amplificated production. An intrinsic exchange bias is observed in the restacked nanoflakes due to the magnetic proximity on the interface of the FGT/natural surface oxide layer. The material reaches 578 Oe (2 K) and 2300 Oe after further oxidation, at least 250% higher than other precisely tailored vdW magnetic heterostructures. In addition, the unusual semiconductivity of the liquid-phase exfoliated FGT nanoflakes is reported. This work skillfully utilizes oxidation to enhance the potential of FGT for large-scale spintronics, optoelectronics, efficient data storage, and various extended applications, and it is beneficial for exfoliating other promising magnetic vdW materials.
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