二維壓電鐵磁半導體材料在信息存儲和量子計算等應用領域具有重要的應用前景。然而，目前報道的大部分二維壓電鐵磁半導體材料的居里溫度都遠遠低于室溫，這極大地限制了它們的實際應用。因此，尋找新型具有室溫以上磁有序的二維壓電半導體材料對于信息存儲和量子計算領域的發展具有重要意義。二維氮化碳基寬禁帶半導體材料具有長的自旋擴散長度，在信息存儲器件中有巨大的應用前景。前期的研究證實，其在室溫條件下具有較強的面內壓電性，這歸因于非中心對稱的三角形納米孔。然而該材料本身沒有未配對電子，表現為本征抗磁性，這限制了其在信息存儲器件中的應用。究其原因在于，目前制備的二維氮化碳為非晶態且有很多氨基，這限制了其本征磁性。因此，制備出高結晶性的二維氮化碳進而研究其本征磁性、壓電性具有重要意義。

近日，西安電子科技大學郝躍院士團隊劉艷教授、王勇副教授通過改變前驅體以及熱縮聚參數，成功制備出高結晶二維氮化碳。結構表證和理論計算證實：i）樣品表現出半導體屬性（帶隙為 1.8 eV），同時結構發生反演對稱性破缺；ii）在高度有序的七嗪結構中引入了C-O-C鍵，進而獲得局域自旋并實現磁有序，從而獲得強的室溫鐵磁性；iii) 結晶氮化碳在室溫下表現出壓電和鐵磁特性，同時應力可以有效調控室溫下的磁性行為和壓電勢。該研究工作可為二維半導體材料的室溫鐵磁性與壓電性研究提供一定的參考價值，有望為信息存儲和量子計算等應用領域提供更好的解決方案。

圖1. CCN 的結構表征：（a）原子結構俯視圖。(b) TEM 圖像。(c) SAED 圖像。(d) 高分辨率 TEM 圖像，(e) 為紅框區域放大圖像，(f) 為相應的晶格條紋。(g-j）使用球差校正透射電子顯微鏡獲取的 EDS 元素圖譜圖像。

圖2. CCN 的能帶和結構表征：(a) C K 邊 XANES 光譜。(b) N K 邊 XANES 光譜。(c) 傅立葉變換紅外光譜。(d) C 1s 和 (e) O 1s XPS 光譜。(f) 紫外-可見吸收光譜，插圖為 Kudelka-Munk 圖。(g) CCN 納米片在 1550 納米激光下的隨功率變化的 SHG 光譜。(h) SHG 強度與激發功率的對數坐標關系。紅線是通過線性擬合得到的。(i) 總 SHG 強度與激發光束偏振角函數的極坐標圖。點代表實驗數據，連續線段為擬合值。

圖3. CCN 的壓電力顯微鏡表征：（a）46 nm厚 CCN 的 AFM 形貌圖。(b) PFM 掃描區域的形貌圖。(c) CCN 的垂直和（d）橫向共振峰。(e) 在 4 V 激勵電壓下的面外和 (f) 面內振幅圖。(g) 垂直和 (h) 橫向共振峰與激勵電壓的線性關系。(i) 4 V激勵電壓下的面外和 (j) 面內相位圖像。(k) 面外和 (l) 面內相對于激勵電壓的統計振幅。

圖4. CCN 的磁力顯微鏡表征：（a）厚度為 21.8 nm的 CCN 的 AFM 形貌。(b) 通過預磁化 MFM 探針獲得的相應 MFM 相位圖。(c) CCN 納米片上 MFM 相位形貌耦合的三維圖像。(d-i）選定區域（d-f）的 MFM 相角分布（g-i），紅色區域為基底，藍色區域為CCN。選區邊寬分別為 200 nm、100 nm 和 30 nm。

圖5. CCN 的 DFT 計算褶皺區域的磁力顯微鏡表征：（a）CCN 的自旋極化電荷密度分布。黃色代表自旋向上，藍色代表自旋向下。(b) CCN 的帶狀結構和 (c) 態密度。(d) 厚度為84 nm的 CCN 的原子力顯微鏡形貌圖；紅色方框表示 MFM 測試區域。(e) 區域 1 內 MFM 相位形貌耦合的三維圖像。(f) 區域 1 的 SKPM 電位。(g) 區域 1 截面線 1 上的高度、MFM 相位和電位變化曲線。(h) 皺褶區域 1 的 COMSOL 模擬應變圖。(i) 區域 1 截面線 1 上的總應變百分比。

王勇，國家博士后創新人才支持計劃（合作導師：郝躍院士），陜西省高層次青年人才，小米青年學者。已主持/參與國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省高層次人才計劃以及中國博士后科學基金等項目。長期專注于信息存儲材料與器件研究，相關成果發表學術論文60余篇，其中以第一/通訊作者在Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Research等國內外主流期刊發表30余篇。

劉艷，西安電子科技大學微電子學院教授、博士生導師，入選西安電子科技大學菁英計劃與華山學者。劉艷教授長期從事新型半導體功能器件方面的研究，在微納光子器件、后摩爾微電子新器件以及光電融合和集成方面進行了大量開拓性研究。現承擔國家自然科學基金重大研究計劃項目和重大項目、科技部重點研發項目等多項研究項目。在IEDM、IEEE EDL、Optics Express、Laser & Photonics Reviews等微電子與光電主流會議和期刊上發表論文150多篇，申請專利40多項，做各類邀請報告10余次。

Wang Y, Yang D, Xu W, et al. Room-temperature ferromagnetism and piezoelectricity in metal-free 2D semiconductor crystalline carbon nitride. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6491-y.