具有可调谐铁磁共振（即磁性材料中的磁化与外部电磁场产生共振的现象）和自旋波（由磁性原子之间的磁相互作用引起的一种波动）的二维（2D）磁体，由于其轻量化和低维特性，在节能电子领域正受到越来越多的关注。与铁氧体和金属等块体材料相比，2D磁体能够更好地与纳米器件集成，如磁绝缘体、自旋电子器件以及磁隧道结。然而，这些2D磁体的居里温度（TC）较低，并且它们依赖于一些破坏性的控制方法（例如电解质门控、电压调节、高压），这限制了它们的应用范围。
马里兰大学的 Shenqiang Ren 领导的团队在 ACS Nano 上撰文报道了一种通过电化学锂化CrI3（见图a）制备的二维磁体。这种材料的居里温度从45K提高到了420K，使得它能够在室温下保持稳定的磁性。（ACS Nano 18, 23058–23066 (2024)）。
来自香港城市大学和卡尔加里大学的研究人员，对该文章进行了点评， 相关文章以《2D magnets filled with lithium》为题发表在《Nature Reviews Chemistry》期刊上，文章链接：https://doi.org/10.1038/s41570-024-00660-9。
研究团队在一个电化学池中进行了锂化过程，该电池以涂有CrI3的铜箔作为阴极，锂作为阳极，并使用溶解于无水丙烯碳酸酯中的高氯酸锂作为电解质（见图a）。通过调节施加于阴极的电压，可以精细地调控锂的嵌入，从而控制材料的电子、结构和磁性特性。
通过施加-0.1毫安的电流和1.5伏、1.0伏以及0.5伏的电压，研究团队在CrI3中实现了不同程度的锂嵌入，分别生成了Li0.0365CrI3、Li0.073CrI3和Li0.149CrI3。这增加了材料的磁性（从15 memu g⁻¹增加到21 memu g⁻¹），使其更难被消磁（所需的力从780奥斯特增加到了1,120奥斯特），并将居里温度提高到了420K。这种增强效果归因于锂化导致的Cr³⁺还原为Cr²⁺——正如X射线光电子能谱所示——这一过程增加了磁矩并加强了磁交换相互作用。
此外，吸收光谱和光致发光光谱显示Li0.149CrI3相比于CrI3具有更大的带隙。Cr³⁺中的d轨道分裂导致三个t2g轨道被电子占据，形成自旋S = 3/2。当被还原为Cr²⁺时，额外的一个电子占据了一个eg轨道（见图b），使得总自旋增加到S = 2，从而增强了磁矩。这种电子构型的控制是调节LixCrI3磁性的关键。
在光照（20 mW/cm²）下，Li0.149CrI3的磁化强度增加了18.4%，这从磁场曲线斜率的减小以及共振场从1,148奥斯特下降到963奥斯特可以看出。这归因于光激发进一步将更多的Cr³⁺转化为Cr²⁺，增强了磁光耦合。同样地，施加电场（从100 V/cm到1,000 V/cm）也能通过触发Cr³⁺的进一步还原来增强磁化强度，此时共振场从1,179奥斯特变化到1,115奥斯特。光场和电场的联合调制可能使Li0.149CrI3在未来用于磁电子器件成为可能。
在制备这种二维磁性材料的过程中，研究团队通过锂离子调制以及光激发和电场对铁磁共振的控制，实现了对磁性特性的灵活调控。这一突破为开发先进的、可调谐的二维磁电子器件铺平了道路。
值得注意的是，前不久（5月16日），本文的两位作者梅亮和杨锐捷以共同第一作者身份在《Nature Reviews Chemistry》期刊上发表题目为《Intercalation in 2D materials and in-situ studies》的封面文章。下面对该文章进行简短解读。
在 2004 年发现石墨烯后的短短几年内，二维 (2D) 材料成为了材料研究的一个热点领域。这些二维材料彻底改变了当前研究的许多方面，特别是在新兴物理学、光电器件、催化、电池等领域。这些材料具有各向异性键合的特点——层内有强共价键，层间有弱的范德华 (vdW) 相互作用。这种各向异性的性质使得插层在二维材料中变得可行。这里，插层是指将外来物质（原子，离子，或分子）插入到2D材料层间或其vdW异质结构中。
原子、离子和分子的插层是调整二维 (2D) 材料特性的有力工具。使用此工具，二维材料的层间相互作用、面内键合构型、费米能级、电子能带结构和自旋轨道耦合等属性可以得到有效的调控，从而引起二维材料的光子、电子、光电子、热电、磁性、催化和能量存储相关的性质变化。这意味着插层是提升二维材料在当前和未来应用中的有力工具。原位成像和光谱技术是可视化和追踪插层过程的有效手段，为破译重要且常常难以捉摸的插层动力学、插层化学力学，和插层机理提供了机会。
北京时间2024年5月16日，Nature Reviews Chemistry在线发表了题为“Intercalation in 2D materials and in-situ studies”的文章。文章分析了二维材料的插层和原位研究。
图1 | 二维材料的插层概述和插层策略
图2 | 插层引起的协同效应和层间相互作用的改变
图3 | 插层引起的面内键合的重建
图4 | 插层引起的费米能级和电子能带结构的变化以及自旋轨道效应和晶格参数的调变
图5 | 电化学插层原位研究的平台设计
图6 | 电化学插层的原位成像研究
参考文献：
[1] L. Mei et al, Nat. Rev. Chem., (2024) https://doi.org/10.1038/s41570-024-00660-9.
[2] R. Yang et al, Nat. Rev. Chem., 8 (2024) 410-432.
