[发明专利]具有反铁磁和半导体特性的二维硼化铁的制备方法

说明书

本发明属于二维反铁磁磁性材料制备技术领域，涉及一种通过具有反铁磁、半导体特性的二维金属硼化物的制备方法，包括以下步骤：步骤一，过渡族金属硼化物块体准备、配制电解液；步骤二，过渡族金属硼化物的电化学剥离；步骤三，二维金属硼化物的提纯与干燥。本发明发现了一种通过具有反铁磁、半导体特性的二维金属硼化物的制备方法，可通过块体减薄所获得的薄层结构具备室温反铁磁的特性，同时解决了其金属向半导体转化的难题，形成的二维金属硼化物相变温度高，为未来在自旋电子学领域的发展提供了更多的种类。

技术领域

本发明涉及具有反铁磁和半导体特性的二维硼化铁的制备方法，可用于自旋电子学中的晶体管器件或者存储器件应用方面。属于二维反铁磁性材料技术领域。

背景技术

二维磁性材料是发展先进自旋电子学器件最优前景的一种材料，二维磁性材料都是以范德华二维材料这一体系为主，种类非常有限，而且在一般减薄之后其磁性远远低于本征磁性强度，所以迫切的需要开发新型种类的二维磁性材料，特别是二维反铁磁材料，这也是为未来自旋电子器件的研究和创新提供了方向。

二维范德华材料都是一般需要通过一些剥离方法来使其二维化，比如机械剥离等。专利号为CN114956178A的专利文献公开了一种二维层状材料的电化学剥离方法，涉及二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、氮化硼、类石墨相氮化碳的电化学剥离方法，并公开了电化学剥离的主要原理：一，带电荷物质插入层间或者交换层状中同种电荷的离子，能够增加层间距，降低层间相互吸引力以及剥离所需的能量；二，气泡驱动层间膨胀的策略，插入层间的电活性物质能够与层状材料电极发生电子交换，产生气泡，驱动层间膨胀与薄层剥落。

而非范德华材料的种类现在占据极大多数，那么如果我们能通过一些方法把已经预测到的二维反铁磁性材料二维化，就能极大的丰富二维材料这个家族，并且拓展到其他领域，所以选择较为廉价的金属硼化物作为我们二维化的对象，特别是已经有理论预测二维硼化物具有室温反铁磁特性，但目前对于金属硼化物二维化还鲜有实验开展，新型二维反铁磁特性的材料依然非常匮乏。

目前大部分过渡族金属硼化物以金属导电性质为主，在二维化减薄的过程中常能伴随着金属向半导体态的转变，电化学插层可以为材料提供有效电荷的注入，为体系带来掺杂效应，从而促进材料磁性、能带结构的双重转变，为实现具有室温磁相变特性与半导体特性的二维金属硼化物带来了更加广阔的应用前景。

目前有的剥离方法一般有机械剥离法、化学气相沉积法等。但是都往往过于繁琐、低效。

发明内容

硼化铁(FeB)属于非范德华材料，没有范德华层状结构，不适合有机离子这类常规插层剂沿着范德华间隙自由插入，利用碱金属离子辅助电化学法插层是一种操作简单、生产高效的二维材料制备方法。碱金属离子为无机阳离子，刚性更强，容易通过合金化过程引入晶胞，打破化学键，促进这类非范德华材料的二维化，预期可以拓展到更多的金属硼化物中。这一方法将扩充具有半导体特性、具有室温反铁磁转变特征的二维体系家族，为未来的半导体集成电路工业提供极好的候选材料。

本发明展示了一种简单、高效的电化学剥离方法实现块体FeB材料的宏量制备方法，利用碱金属离子插层把阳离子插入宏观晶体的晶格结构中，通过插层处化学键的断裂实现金属硼化物的二维化，有效电荷的引入可以为体系带来掺杂效应，促进材料磁性、能带结构的转变，从金属态转变为半导体态，并且发现了极高的反铁磁相变温度。解决了二维反铁磁性材料的相变温度太低难以器件化的困难，为未来自旋器件领域提供了机遇。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：选择有效的剥离主体，即过渡族金属硼化物，用碱金属离子对其进行电化学剥离，优化电流、电压、溶液浓度、干燥条件，实现三维块体到二维薄片的转变。

本发明提供一种具有反铁磁和半导体特性的二维硼化铁的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，硼化铁FeB块体准备、配制电解液；