Advanced Materials:范德瓦尔斯异质结中近邻效应导致的矫顽场和居里温度提升

二维磁性材料因在自旋电子学和磁存储等方面具有重要应用前景受到广泛关注。自从2017年人们在具有原子层厚度的CrI3和Cr2Ge2Te6晶体中发现本征二维铁磁性以来,多种二维铁磁材料相继被发现。然而已发现的本征二维铁磁性体的临界温度普遍非常低,因此如何提高现有二维磁性材料的居里温度对其在磁存储器件中的应用十分关键。Fe3GeTe2作为一类巡游铁磁体,拥有较大的磁各向异性,较高的居里温度和相对较稳定的特性,是一类有潜力实现室温铁磁的二维材料。目前通过施加外场(如电场、应力、压力等)可以调控二维材料的磁性,但是相比于外场调控,铁磁/反铁磁界面近邻效应调控是一种无需额外能耗的有效调控方式。

华中科技大学国家脉冲强磁场中心韩俊波研究员和光电信息学院叶镭副研究员利用脉冲场磁化测量技术和显微磁光克尔测量技术系统地研究了机械剥离的二维FePS3、Fe3GeTe2晶体及其异质结的磁学性能。研究结果显示,双层反铁磁/铁磁异质结和三层反铁磁/铁磁/反铁磁异质结由于近邻耦合效应表现出交换偏置现象,其矫顽场相较于纯的Fe3GeTe2增强一倍以上,居里温度提高了30 K左右,磁光克尔角也明显提升。为了确定FPS和FGT之间的耦合机制,课题组进一步分析了FGT和FPS/FGT的磁畴特征,当FPS和FGT耦合在一起时,会发生多种磁态和交换偏置,FGT中的自旋结构会通过邻近耦合受到FPS的显著影响。对于三层结构来说,得益于FPS/FGT/FPS中的双界面和较厚的FPS层,交换偏置相比FPS/FGT更明显。

该研究表明铁磁/反铁磁近邻耦合效应可以有效调控二维材料的磁性,这不仅提供了一种调控二维铁磁材料TC的简单有效方法,而且也为人们理解并揭示二维 FM和AFM之间的邻近耦合物理提供了一个平台,为未来研制基于二维磁性材料的室温自旋电子学器件提供了一种新的方向。相关结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202002032)上。