量子計算和高密度信息存儲等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，對先進(jìn)數(shù)據(jù)存儲材料及相關(guān)新型磁性材料提出了更高要求。在磁性材料研究中，充分利用低維材料所具有的更大的平均磁矩和更強(qiáng)的磁各向異性特性，優(yōu)化其內(nèi)部磁系統(tǒng)的自旋排列，是獲取新型結(jié)構(gòu)的磁性材料有效策略之一。傳統(tǒng)的思路是借助于調(diào)節(jié)邊緣結(jié)構(gòu)或缺陷工程來引入電荷載流子等外部作用，如何找到和挖掘材料的本征和固有鐵磁性則具有重要意義，然而這也極富挑戰(zhàn)。
近日，鄭州大學(xué)的許群教授團(tuán)隊利用超臨界二氧化碳（SC CO2）成功將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇(BaTiO3)進(jìn)行改造，制備了具有室溫鐵磁性的低維鈦酸鋇。實驗發(fā)現(xiàn)，在不同CO2壓力下，SC CO2可選擇性地切斷BaTiO3材料層間共價鍵，形成不同暴露晶面。磁性表征實驗顯示，相較于傳統(tǒng)的制備方法，如氫氣還原和機(jī)械研磨等處理方式，SC CO2處理所制得的BaTiO3材料展示出了更加優(yōu)越的室溫鐵磁性。在此基礎(chǔ)之上，團(tuán)隊成員通過實驗和理論相結(jié)合的方式，對SC CO2處理后BaTiO3所產(chǎn)生的磁性進(jìn)行深入探索。
Figure 1. Stripping diagram of non-vdW bulk BaTiO3. a) The process flow of SC CO2 stripping on bulk phase BaTiO3. b) Schematic diagram of the exfoliation of non-layered bulk materials to produce low dimensional nanosheets along the intrinsic exposed surface. 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SC CO2對材料所暴露的晶面起到?jīng)Q定性作用。對于BaTiO3材料，常規(guī)超聲處理僅能形成低能表面（010），而經(jīng)SC CO2處理可導(dǎo)致兩個全新晶面的形成，分別是（001）和（11—0）面。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著SC CO2壓力的增加，除展示的（11—0）面，BaTiO3的非晶化程度大幅增強(qiáng)，與此同時顯示所制備BaTiO3表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的室溫鐵磁性。DFT理論計算發(fā)現(xiàn)超聲和低壓CO2處理BaTiO3，其形成的表面只有在含有缺陷時才具有磁性，這些都屬于外部誘導(dǎo)磁性響應(yīng)；而高壓SC CO2形成的（11—0）面則具有固有磁性。因此許群團(tuán)隊的研究證明借助CO2，可以突破傳統(tǒng)制備模式開發(fā)具有固有磁性晶面的材料，這對理解材料的本征磁性具有重要意義。 Figure 2. TDOS and Spin charge density distribution of (11—0) surface. a) The TDOS and PDOS of (11—0) surface. b) Density of states of (11—0) surface with OV. (c-d) Spin charge density distribution of monolayer and multilayer structures. (e-f) Contour map of Spin charge density (Cut from the position of the blue line in the figure c-d, the red ball represents O atom). 論文信息： CO2-Induced Exposure of the Intrinsic Magnetic Surface of BaTiO3 to Give Room-Temperature Ferromagnetism Bo Gao, Dr. Song Xu, Prof. Qun Xu 文章的第一作者是鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士生高波，通訊作者是鄭州大學(xué)許群教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202117084
