可调磁性插层超晶格的普适阳离子交换策略。 2025年6月25日，美国加州大学洛杉矶分校黄昱和段镶锋团队在Nature期刊上发表了一篇题为A cation exchange approach to tunable magnetic intercalation superlattices的研究成果。
该成果报道了一种普适的阳离子交换策略，将功能性阳离子引入二维范德华材料层间，以实现成分功能可调的超晶格结构，为基础自旋电子学研究提供多样化的材料平台。论文通讯作者是黄昱，段镶锋教授。共同第一作者是周靖轩，周劲媛。
在固态材料中调控磁有序性对于新兴自旋电子学至关重要。然而，磁性半导体中通过替位掺杂引入磁性元素的方式受到溶解度限制，通常掺杂浓度难以超过5%，且铁磁转变温度偏低。相比之下，将磁性元素插层到层状二维原子晶体（2DACs）中，且不破坏面内共价键，提供了一种突破传统掺杂极限的新策略，使得磁性原子浓度可提升至50%。
尽管已有少数关于化学或电化学插层的研究案例，但整体仍受局限。研究组提出了一种通用的插层-阳离子交换策略，成功在多种2DACs中构建出高度有序的磁性插层超晶格（MISLs），并实现可调的磁性结构。插层离子涵盖了Cu+、Ag+等一价过渡金属离子，Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+等二价磁性离子，以及Eu3+、Gd3+等三价稀土离子。所用的二维宿主材料包括VIB族（如MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2），以及IVB、VB、IIIA、IVA和VA族材料（如TiS2、NbS2、NbSe2、TaS2、In2Se3、SnSe2、Bi2Se3和Bi2Te3）。
这项工作通过控制插层离子的种类和浓度，可实现在半导体、拓扑绝缘体和超导体等功能性2DACs中定制磁有序性，从而构建出可广泛适用于基础研究与自旋电子学的材料平台。
图1：锂插层和阳离子交换以实现磁性插层超晶格材料库的流程图。
图2：阳离子交换过程表征。
图3：Co1/2MoS2超晶格的原子结构分析。
图4：磁性插层超晶格材料库的表征。
图5：磁性插层超晶格材料库中的可调磁性。
该通用的锂插层及阳离子交换策略可在低至中等温度下进行，规避了高温固相合成中常见的合金化和相分离现象，从而实现了具有交替原子层的有序超晶格结构。此类结构有效抑制了传统稀磁半导体中常见的磁离子团簇现象，显著增强了磁耦合能力，并可在室温甚至更高温度下稳定表现出铁磁性。
该策略具有优异的普适性，可实现多种原子离子在二维原子晶体（2DACs）中的精准可控嵌入，成功构建了性能可调的人工量子材料体系。这一突破不仅为探索多重量子效应耦合机制构建了丰富的材料体系，也为新型量子器件的设计提供了关键的物质基础。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09147-z
作者：段镶锋等 来源：《自然》
