【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊與合肥工業大學、華南理工大學以及中國科學技術大學等研究團隊合作，利用質子門電壓調控技術在二維鐵磁材料Cr1.2Te2中實現了室溫下的鐵磁-反鐵磁相變。研究成果發表在物理期刊Physical Review Letters上，文章被選為編輯推薦論文。
在傳統磁性器件中，磁化方向一般可以通過電流產生局域的磁場或者自旋轉矩等方式來實現操控，這些方法不可避免地會產生焦耳熱。近年來，人們嘗試利用純電場手段來操控磁化方向，從而實現磁調控。因此，實現低維磁性材料的電場調控是發展超緊湊、低功耗、非易失性自旋電子學器件的關鍵。對于二維巡游磁體系，電場調控磁性所面臨的挑戰是如何有效地調控巡游磁體系中的超高載流子濃度。該合作團隊在前期研究中利用固態質子門電壓調控技術實現了層狀鐵磁金屬Fe5GeTe2的質子插層，從而大幅度地改變了體系的載流子濃度并實現了該材料低溫下的磁相變[Nano Lett. 21, 5599-5605 (2021)]。然而，Fe5GeTe2納米片中門電壓可控的磁相變溫度遠低于室溫，難以實用化。因此，尋找室溫下具有矩形磁滯回線且易于調控的鐵磁材料具有重大意義。
為此，該團隊制備出了具有室溫磁性的二維鐵磁材料Cr1.2Te2單晶，通過機械剝離獲得了不同厚度(12 nm~40 nm)的Cr1.2Te2納米片。輸運測量發現，Cr1.2Te2納米片在室溫下展示出了矩形磁滯回線，具有較高的實用價值。進一步研究發現，在T=200 K，Cr1.2Te2納米片在固態質子門電壓調控下其磁性呈現出非單調的演化規律，反常霍爾電阻率在電子型摻雜下先增大(-8 V≤Vg<0 V)再減小(Vg<-8 V), 當門電壓Vg=-14 V同時電子摻雜濃度達到3.8×1021 cm-3時，體系反?；魻栃?，表明該體系在電子摻雜下其磁基態發生了改變。當T=290 K時，研究人員發現Cr1.2Te2納米片的鐵磁性在質子插層下呈現出了相似的演變規律，即反?；魻栯娮杪孰S著電子摻雜濃度的增加先增大再減小并最終消失，如下圖所示。理論分析發現，Cr1.2Te2在質子插層下可實現電子摻雜，當摻雜濃度達到1021 cm-3量級時，磁基態可從鐵磁轉變為反鐵磁，這與實驗觀測的現象一致。實現室溫下磁性材料的電場調控有助于發展可實用化的自旋電子學器件。
合肥工業大學談誠博士為論文的第一作者，華南理工大學廖繼海博士為論文的共同第一作者。中國科學院合肥物質院強磁場中心鄭國林研究員、中國科學技術大學向斌教授、華南理工大學趙宇軍教授以及合肥工業大學王瀾教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了得到了科技部、基金委、中國科學院等項目的支持。
(左)器件示意圖。(右)室溫下Cr1.2Te2納米片在固態質子門電壓調控下的磁相變過程。
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