近日，中科院合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心低功耗量子材料研究團(tuán)隊(duì)鄭國(guó)林研究員與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)Lan Wang教授以及華南理工大學(xué)趙宇軍教授等人合作，首次利用門電控制二維異質(zhì)結(jié)界面的質(zhì)子插層，實(shí)現(xiàn)了范德瓦爾斯鐵磁（FM）金屬-反鐵磁(AFM)絕緣體界面exchange-bias（交換偏置）效應(yīng)的電調(diào)控，為構(gòu)筑更多界面耦合效應(yīng)可控的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)器件提供了新的技術(shù)手段。相關(guān)研究成果發(fā)表在核心期刊Nano Letters上。

　　范德瓦爾斯磁性材料可用于構(gòu)筑各種范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)器件，如FM-AFM，F(xiàn)M-鐵電異質(zhì)結(jié)器件，從而產(chǎn)生交換偏置、二維多鐵性等，在自旋閥、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等超緊湊型二維磁性器件方面具有廣泛應(yīng)用前景。然而，由于范德瓦爾斯材料存在較大的層間距，這使得人工構(gòu)筑的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)器件的界面耦合往往很弱，從而降低了器件的性能。如何實(shí)現(xiàn)界面耦合效應(yīng)可控的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)器件成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　針對(duì)這一難點(diǎn)問題，研究人員首先利用機(jī)械剝離的方法實(shí)現(xiàn)了少數(shù)層鐵磁金屬Fe₅GeTe₂的剝離，隨后利用人工堆疊的方法構(gòu)筑了高質(zhì)量的Fe₅GeTe₂-FePS₃異質(zhì)結(jié)器件。通過低溫輸運(yùn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵磁層Fe₅GeTe₂的厚度在12-18 nm左右時(shí)，異質(zhì)結(jié)器件在20 K以內(nèi)展現(xiàn)出了交換偏置效應(yīng)。當(dāng)鐵磁層厚度大于18 nm后，實(shí)驗(yàn)室無法觀測(cè)到界面耦合效應(yīng)。而當(dāng)鐵磁層厚度低于10 nm時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)界面的交換偏置效應(yīng)也反常地消失了。通過分析發(fā)現(xiàn)，在極薄的鐵磁納米片中，由于層內(nèi)缺陷釘扎效應(yīng)導(dǎo)致Fe₅GeTe₂納米片具有非常大的矯頑力（~2 T）,這種釘扎效應(yīng)很可能超過了界面耦合誘導(dǎo)的單軸各向異性，從而導(dǎo)致交換偏置效應(yīng)的消失。

　　研究人員還利用最近剛發(fā)展的新型固態(tài)質(zhì)子調(diào)控手段，研究了電控質(zhì)子插層對(duì)異質(zhì)結(jié)界面耦合效應(yīng)的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)Fe₅GeTe₂-FePS₃異質(zhì)結(jié)在不同的質(zhì)子門電壓下，界面耦合產(chǎn)生的交換偏置效應(yīng)可被“開啟”或者“關(guān)閉”，且實(shí)驗(yàn)上最高可在60 K實(shí)現(xiàn)交換偏置效應(yīng)的觀測(cè)。這種開關(guān)效應(yīng)表明質(zhì)子插層可極大地改變異質(zhì)結(jié)的界面耦合。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鐵磁層在質(zhì)子插層過程中其矯頑場(chǎng)、反常霍爾以及居里溫度都沒有明顯改變，這表明質(zhì)子插層對(duì)鐵磁層的影響較小。結(jié)合密度泛函理論分析，研究人員發(fā)現(xiàn)質(zhì)子插層主要改變了反鐵磁的磁構(gòu)型以及鐵磁-反鐵磁界面的耦合強(qiáng)度，從而導(dǎo)致交換偏置效應(yīng)在不同質(zhì)子門電壓下展現(xiàn)了明顯的開關(guān)效應(yīng)。

　　強(qiáng)磁場(chǎng)中心鄭國(guó)林研究員、華南理工大學(xué)趙宇軍教授以及澳大利亞皇家墨爾本理工的Lan Wang教授為本文的共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01370 

　　(a)-(c)異質(zhì)結(jié)器件示意圖以及其光學(xué)顯微鏡以及原子力顯微鏡圖像。(d)-(g)不同溫度下質(zhì)子門電壓對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控。