氢杂质诱导二碲化钼半导体的磁性

近期的一研究展示了氢杂质诱导二碲化钼（MoTe2）半导体的磁性，层状过渡金属二氯化物（TMDs）是一类有前途的材料，具有光电、超导、催化和拓扑特性。在TMDs中，多态的MoTe2表现出各种电子和磁特性。它的金属1T'相在≈250K时变成了Td相。后者是一种拓扑的Weyl半金属，在低温下具有非常规的超导性。2H-相是环境条件下最稳定的相，是一种间接带隙半导体，已经成功地集成到晶体管和光电探测器中。

X射线ARPES光谱比较图片，Credit: Jonas A. Krieger/Paul Scherrer Institute

2H -MoTe2被证明是一种磁性半导体，在低温下，在块体中表现出一种长程磁秩序，这被暂时归因于Mo反位点缺陷。然而，没有其他技术报告了这种长程磁秩序，这种磁性的来源仍然不清楚。

事实上，理论计算还预测，除了反位点缺陷外，氢和过渡金属掺杂物能够在单层极限下诱导二碲化钼的自旋极化。由于μ介子可以被认为是一种轻氢同位素，一种可能的解释是，在μ+SR中观察到的磁性不是内在的，而是由μ介子本身诱导的。

这项研究表明，氢诱导的磁性状态在晶体表面保持不变，从而确立了2H -MoTe2是一种可通过氢掺杂进行切换的磁性半导体，从而为将TMD整合到未来薄膜异质结构中的应用铺平了道路。

为了揭示这种效应的来源，使用DFT计算了氢杂质诱导的2H -MoTe2的基态，以及它是如何被单个植入的μ介子所影响。研究首先完善了DFT计算，以重现2H -MoTe2的电子结构。

不同探测示意图，Credit: Jonas A. Krieger/Paul Scherrer Institute

总而言之，利用局部磁探针测量、ARPES和理论DFT计算，揭示了2H -MoTe2是一个濒临磁性的半导体。本质的125Te-NMR探针与植入的μ电子自旋探针的比较证实，在μ+SR中观察到的局部场并不反映内在的长程磁秩序。相反，作为一个类似于氢的孤立杂质，μ子素（氢的同位素）可以被用来“开启”这个系统中的局部磁矩。

这项题为“Hydrogen-impurity induced unconventional magnetism in semiconducting molybdenum ditelluride”的研究已经在2022年6月提前在线出版。这项研究主要由Jonas A. Krieger, Daniel Tay, Igor P. Rusinov, Sourabh Barua等人开展。研究发现了μ子素对局部磁性的影响一直到晶体的表面都没有改变，这为使用氢杂质将2H -MoTe2转化为vdW异质结构的磁性半导体构件铺平了道路。

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