首页
产品中心
技术百科
客户案例
新闻中心
关于我们

客户成果丨中国科学技术大学《ACS Nano》：室温下二维范德华铁磁体交换偏置的操控

中国科学技术大学国家同步辐射实验室、核科学与技术学院李倩研究员课题组在二维材料领域取得进展，该研究成果以“Manipulation of Exchange Bias in Two Dimensional van der Waals Ferromagnet Near Room Temperature” 为题发表在《ACS Nano》期刊上。

作为交换偏置（EB）的宿主，范德华（vdW）磁性材料表现出了与传统磁性材料不同的有趣和独特的功能。大多数vdW系统中的EB远低于室温，这对实际应用构成了挑战。文章通过使用克尔显微镜，在自然氧化的二维（2D）vdW铁磁Fe3GaTe2纳米片中展示了接近室温的创纪录的高Blocking temperature和在100 K下接近2 kOe的巨大正EB场。此外，文章实现了不需要多次场冷而通过磁场来控制交换偏置的正负和有无。因此，研究清楚地揭示了高达接近室温的vdW磁性材料中稳定的、相当大的以及符号可控的EB，因此将Fe3GaTe2确立为一种新兴的室温工作vdW材料，并为设计实用的2D自旋电子器件铺平了道路。

图1. 在O-FGaT/FGaT中观察到正的交换偏置(EB),而在未被氧化的FGaT中没有观察到EB。(a) FGaT原子结构示意图。左右两幅图分别沿b轴和c轴的视角。(b)用Ta(3 nm)保护层包裹的原位剥离FGT薄片(样品1)的横截面STEM图像,以及(e)自然氧化的FGaT纳米薄片(样品2)的横截面STEM图像。比例尺为5 nm。FGaT薄片的厚度分别为70和168 nm。样品2中O-FGaT层厚约为7.0 nm。(d,g)分别对应(b,e)样品的温度相关的克尔磁滞回线。(c)新剥离的FGaT和(f)氧化的FGaT晶体的典型XAS和XMCD谱图。(g)在2500 Oe的冷却磁场下,O-FGaT/FGaT异质结构观察到较大正的EB,而(d)未被氧化的FGaT没有观察到EB。(h)在78 K下,采用不同冷却磁场(HFC)测量的克尔磁滞回线,每个磁滞回线旁标注了冷却磁场的符号和强度。(i)总结了HFC依赖的EB场。

通过克尔显微镜测量,Ta/FGaT样品(图1d)在低温下呈现矩形磁滞回线,矫顽力HC在100K时达到5 kOe,这与报道的大的垂直磁各向异性一致。与此不同的是,O-FGaT/FGaT样品(图1g)在100 K下表现出巨大的正交换偏置(EB)场约2 kOe,这表明了FM/AFM界面的不同寻常的相互作用。在不同大小和符号的冷却场(HFC)下(图1h),O-FGaT/FGaT样品均出现了显著的正EB效应。样品1没有EB效应(图1d),而样品2有明显的EB效应,说明O-FGaT层在诱导EB中起关键作用。

图 2. O-FGaT/FGaT 中交换偏置(EB)的存在/缺失及正/负符号的磁场控制及其可能模型。(a) SP 表示正负扫场范围相同,记为"SP"。(b,c) 正(负)场协议表示扫场起点为正(负)场,且正(负)场范围大于负(正)场,记为"PP"("NP")。右侧显示了各扫场过程对应的自旋配置。红箭表示 O-FGaT 的自旋,蓝箭表示 FGaT 的自旋。O-FGaT/FGaT 界面的自旋倾向于反铁磁(AFM)耦合。AFM 自旋的配置由相对较大的起始场设定,在(b) PP 和(c) NP 过程中保持冻结状态。然而,在(a) SP 过程中,AFM 自旋在扫场过程中发生翻转。

在 O-FGaT/FGaT 片中,研究发现当磁场低于(高于)一个临界值时,EB 出现(消失)。例如,在 180 K 时,当扫描磁场在 +4500 到 -4500 Oe 的范围内时[图 2a, 对称协议(SP)],EB 消失,而当扫描磁场在较小的范围内时,EB 出现(图 S4)。此外,我们发现可以通过施加(扫描)磁场的历史过程来操控 EB 的符号。对于磁场在 +4500 到 -4000 Oe 范围内[图 2b, 正场协议(PP)],EB 为正值,而对于磁场在 -4500 到 +4000 Oe 范围内[图 2c, 负场协议(NP)],EB 为负值。因此,通过等温操纵,无需多次场冷过程即可实现对 EB 存在/缺失及正/负符号的磁场控制。

图 3. O-FGaT/FGaT 体系中 EB 的存在/缺失随温度和磁场的变化相图,以及 EB 符号的可重复转换。(a) 100 K 和 (b) 230 K 下的不同磁场扫描范围的 Kerr 磁滞回线。在小磁场扫描范围内观察到EB,而在大磁场扫描范围下则消失。(c) 不同温度下 EB 现象的临界磁场(Hcritical)、EB 场(HEB)和矫顽场(HC)的相图 ,绿色区域表示有 EB,粉色区域表示无 EB。(d) 在 200 K 下,正场扫描(PP)和负场扫描(NP)所测得的Kerr 磁滞回线,通过交替重复 PP 和 NP的场扫描可有效操纵 EB 的符号。(e) HEB 随循环次数的变化,红点表示 PP 过程,黑方块表示 NP 过程。交换偏置的符号可以被PP、NP重复稳定的调制。

图 3c 总结了 EB 随温度和磁场的相图。粉红色区域表示无 EB 相,绿色区域表示有 EB 相。相边界处的临界磁场标志着翻转未补偿的 O-FGaT 反铁磁(AFM)自旋所需的磁场。我们发现,随温度升高,该临界磁场降低,这可归因于较高温度下 AFM 各向异性的减小,直至不足以稳定未补偿 AFM 自旋对于界面铁磁磁矩的钉扎效果。例如,该临界场从 100 K 时的 7250 Oe 降至 230 K 时的 2375 Oe。因此,在范德瓦尔斯(vdW) O-FGaT/FGaT 纳米片中实现了实验可达的磁场对 AFM 自旋构型和 EB 的控制,这在通常具有巨大 AFM 磁各向异性和强界面交换耦合的常规非 vdW FM/AFM 体系中很少见。

本工作研究了在氧化的 FGaT 纳米片中发现了持续到室温附近的巨大正交换偏置(EB)。在范德瓦尔斯(vdW) O-FGaT/FGaT 体系中,我们展示了对 EB 的存在/缺失及正/负符号的可逆的稳定的磁场控制。相比之下,大多数 vdW FM/AFM 体系中的 EB 只出现在液氮温度以下,而且操纵 EB 需要多次场冷过程,我们的结果在推动基于vdW 磁性材料自旋电子器件的商业应用方面取得了重大进步。