现在二维稀土磁性材料是自旋电子、量子传感领域重点研究对象，稀土元素 4f 内层电子会带来独特磁各向异性、巨磁阻等新奇输运性质，但目前主流化学气相沉积手段只能横向平铺生长二维稀土薄片，衬底和薄膜之间界面耦合作用极强，薄膜内部容易产生台阶应力、厚度不均匀的楔形缺陷，转移时还必须借助高分子辅助剥离，会引入大量杂质破坏本征磁学性能，很难完整测出材料原生磁输运特征。而现有 Eu 基二维稀土硫化物、氧硫化物制备方案大多依靠前驱体热分解、碱金属辅助成核，晶体单晶质量差、空气稳定性弱，始终缺少一套能直接在蓝宝石衬底上垂直立向生长完整二维稀土单晶的可控合成路线，更没人系统探究 Eu₂SO₂晶体的面内、面外双模式磁阻响应规律。本文创新提出拓扑化学转化合成策略，先利用金属铕与蓝宝石衬底界面反应原位垂直长出 Eu₂O₃预制单晶骨架，再通入硫蒸汽温和拓扑硫化，全程不破坏原有垂直生长取向，得到无缺陷、粗糙度仅 0.17nm 超薄 Eu₂SO₂二维单晶，薄膜和衬底接触面积极小，无需高分子就能无损机械转移；依托 PPMS、SQUID 多套磁电测试系统完整表征磁输运性能，材料同时具备面内各向同性巨磁阻（MR＞50%）和面外各向异性磁阻（AMR=13.5%），低温下矫顽力高达 1.36 kOe。

图 1 完整展示 DFT 界面结合能计算、两步拓扑垂直生长全过程、原子结构演变与薄膜扫描形貌，一整段连贯讲清衬底界面化学反应如何调控晶体生长取向，完整解释垂直单晶的合成底层机理，左侧两组界面结合能模型分别对比原生氧化铝衬底、铕还原暴露铝衬底两种基底上 Eu₂O₃、Eu₂SO₂不同晶面吸附能数值，未处理蓝宝石衬底表面全是氧原子，Eu₂SO₂（001）面结合能更低，热力学上更倾向平铺横向生长；而高温下金属铕会抢夺衬底表层氧原子，露出底层铝原子，此时 Eu₂O₃（010）晶面界面能降至 - 3.077 eV，远低于（001）面，晶体就会沿着垂直衬底方向成核生长，为后续拓扑硫化提供完整垂直骨架；中间分步生长示意图清晰标注阶段一高温生成垂直 Eu₂O₃预制片、阶段二通入硫蒸汽拓扑转化为 Eu₂SO₂，硫化过程只发生分子层面原子替换，不会打乱原有垂直堆叠取向，完美继承预制晶体单晶骨架；c、d、e 三张原子分辨 STEM 图依次对应 Eu₂O₃原始晶格、转化后 Eu₂SO₂晶格，能直观看到硫原子嵌入晶格后层间距发生细微改变，晶面间距数值和理论计算完全匹配；最后 f 图是垂直生长薄膜侧面扫描电镜图像，整片薄片如同立柱竖直立在衬底表面，分布均匀无堆叠团聚，整套理论计算与形貌表征完整证实界面还原反应是实现垂直取向的核心关键，两步拓扑转化不会破坏晶体整体单晶结构，为高质量二维稀土单晶制备提供全新可行路径。

图 2 系统收录 XPS 元素价态、XRD 晶相、拉曼偏振光谱、光致发光全套谱学表征数据，一整段细致从元素组分、结晶纯度、晶格振动各维度证明合成产物是单相高结晶 Eu₂SO₂，a、b、c 三张高分辨 XPS 图谱分别对应 Eu3d、S2p、O1s 轨道特征峰，Eu3d 卫星峰直接佐证样品里铕为 + 3 价，硫、氧特征峰无杂质偏移，证明硫化反应完全，不存在 Eu₂O₃残留杂相；d 图 XRD 衍射谱所有峰全部匹配标准 PDF 卡片，（100）衍射峰强度远高于常规粉末样品，恰好对应薄膜垂直生长带来择优取向，摇摆曲线半高宽仅 0.15°，说明晶体内部缺陷、应力极少，单晶质量远超同类稀土二维材料；e 图基础拉曼谱标出 A₁g、E_g 两类特征振动峰，样品在空气中放置十个月拉曼信号几乎无变化，材料空气稳定性十分优异；g、h 是偏振拉曼等高线瀑布图，旋转激光入射角度时拉曼强度呈现周期性起伏，i 极坐标拟合图清晰看出 A₁g 振动模式呈双叶 180° 对称，E_g 模式各向同性呈圆形，完全契合三方 D₃d 晶体对称特征，这套偏振拉曼测试直接证明晶体完整六方面内晶格结构，也为后续磁各向异性提供晶格层面解释，多套谱学表征互相印证产物单相、高结晶、结构有序的优良特性。

图 3 全部为透射电镜、截面 STEM 原子形貌表征，一整段完整从微米尺度到原子尺度直观展现 Eu₂SO₂单晶无孪晶、无层错的完美微观结构，a 图低倍明场透射照片能看到微米级完整单晶薄片，边缘平整无碎裂孔洞；b 图高分辨晶格图像搭配选区电子衍射斑点，衍射斑点锐利无杂斑，晶面间距 3.346 Å 精准对应（100）晶面，证实全域单晶属性；c 原子分辨 STEM 图像原子排布和理论模拟晶格完全重合，Eu、S、O 原子点位清晰可辨；d 是 FIB 切割后的薄膜截面透射图，配套 Eu、O、S 三色元素 mapping，三种元素沿薄膜厚度方向均匀分布，界面无元素偏析富集；e、f、g 依次放大截面明暗场原子图像，能清晰看到沿 c 轴周期性层状堆叠结构，层间距 6.95 Å 和理论晶格参数完全一致，透射菊池衍射全域统一取向，整片单晶不存在晶界、孪晶缺陷，垂直生长模式避免了横向薄膜常见衬底诱导楔形厚度不均问题，完整微观原子表征说明拓扑转化工艺能制备应力极低、原子排布规整的二维稀土单晶，不会引入结构缺陷干扰本征磁输运测试。

图 4 完整记录变温电阻、伏安特性、磁化曲线、多角度磁阻、各向异性磁阻全部磁电测试数据，一整段详细拆解材料独特双模式磁输运行为，先看温度依赖电阻曲线，样品随降温电阻持续升高，属于典型半导体输运特征；不同间距电极 I-V 曲线均为线性欧姆接触，说明薄膜和金属电极界面无势垒干扰磁阻测试；变温零场冷、场冷磁化曲线在 200K 左右出现分叉，低温下形成宽磁滞回线，垂直 c 轴外场矫顽力高达 1.36 kOe，体现极强单离子面外磁各向异性；多角度垂直外场磁阻曲线随磁场倾角呈现抛物线变化，2K 低温 9T 磁场下面内各向同性巨磁阻数值突破 50%，旋转面内磁场测量 AMR 曲线呈现标准余弦周期，最大各向异性磁阻比例 13.5%，不同温度、不同磁场强度下该双模式磁阻特征稳定存在；从晶体结构角度解释这种差异化磁响应，Eu₂SO₂ab 平面六方晶格高度对称，磁矩可以自由同步跟随面内磁场旋转，因此磁阻不随角度改变表现各向同性；而 c 轴是硬磁化轴，外场试图把磁矩拉出易磁化平面时会受到强晶体场束缚，磁矩偏转角度有限，磁阻随磁场旋转出现明显周期性各向异性，整套磁电定量测试首次在二维稀土氧硫化物中同时观测到巨面内各向同性磁阻与高比例面外各向异性磁阻，填补该材料磁输运研究空白。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.77253