近日，中科院合肥研究院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊鄭國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)域的熱點和難點。

　　針對這一難點問題，研究人員首先利用機械剝離的方法實現(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。通過低溫輸運研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵磁層Fe₅GeTe₂的厚度在12-18 nm左右時，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，實驗室無法觀測到界面耦合效應(yīng)。而當(dāng)鐵磁層厚度低于10 nm時，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”，且實驗上最高可在60 K實現(xiàn)交換偏置效應(yīng)的觀測。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。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，鐵磁層在質(zhì)子插層過程中其矯頑場、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)。

　　強磁場中心鄭國林研究員、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。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金以及廣東省重點研發(fā)項目的支持。

　　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)子門電壓對交換偏置效應(yīng)的調(diào)控。