近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊研究員鄭國林與澳大利亞皇家墨爾本理工大學教授Lan Wang、華南理工大學教授趙宇軍等人合作，利用門電控制二維異質結界面的質子插層，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）效應的電調(diào)控，為構筑更多界面耦合效應可控的范德瓦爾斯異質結器件提供了新的技術手段。相關研究成果發(fā)表在Nano Letters上。

　　范德瓦爾斯磁性材料可用于構筑各種范德瓦爾斯異質結器件，如FM-AFM，F(xiàn)M-鐵電異質結器件，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，這使得人工構筑的范德瓦爾斯異質結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)界面耦合效應可控的范德瓦爾斯異質結器件成為該領域的熱點和難點。

　　針對這一難點問題，研究人員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，利用人工堆疊的方法構筑了高質量的Fe₅GeTe₂-FePS₃異質結器件。通過低溫輸運研究發(fā)現(xiàn)，當鐵磁層Fe₅GeTe₂的厚度在12-18 nm左右時，異質結器件在20 K以內(nèi)展現(xiàn)出了交換偏置效應。當鐵磁層厚度大于18 nm后，實驗室無法觀測到界面耦合效應。而當鐵磁層厚度低于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)缺陷釘扎效應導致Fe₅GeTe₂納米片具有非常大的矯頑力（~2 T），這種釘扎效應很可能超過了界面耦合誘導的單軸各向異性，從而導致交換偏置效應的消失。

　　研究人員還利用最近剛發(fā)展的新型固態(tài)質子調(diào)控手段，研究了電控質子插層對異質結界面耦合效應的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)Fe₅GeTe₂-FePS₃異質結在不同的質子門電壓下，界面耦合產(chǎn)生的交換偏置效應可被“開啟”或者“關閉”，且實驗上最高可在60 K實現(xiàn)交換偏置效應的觀測。這種開關效應表明質子插層可極大地改變異質結的界面耦合。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，鐵磁層在質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，這表明質子插層對鐵磁層的影響較小。結合密度泛函理論分析，研究人員發(fā)現(xiàn)質子插層主要改變了反鐵磁的磁構型以及鐵磁-反鐵磁界面的耦合強度，從而導致交換偏置效應在不同質子門電壓下展現(xiàn)了明顯的開關效應。

　　相關研究工作得到國家自然科學基金和廣東省重點研發(fā)項目的支持。

　　論文鏈接 

　　(a)-(c)異質結器件示意圖以及其光學顯微鏡以及原子力顯微鏡圖像。(d)-(g)不同溫度下質子門電壓對交換偏置效應的調(diào)控。