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二維磁性材料因其新奇獨(dú)特的物性備受關(guān)注，在高密度信息存儲(chǔ)、高速運(yùn)算等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。然而，目前的二維磁性材料大多磁轉(zhuǎn)變溫度低，制備難度大，缺乏有效的通用制備方法，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。此外，下一代自旋電子學(xué)器件也存在瓶頸，如自旋軌道力矩（spin-orbit torque, SOT）器件需要復(fù)雜的多層膜結(jié)構(gòu)；自旋轉(zhuǎn)移力矩（spin-transfer torque, STT）器件難以直接調(diào)制均勻磁化樣品的磁性，較高的電流密度閾值增加了器件的功耗，這些挑戰(zhàn)限制了下一代自旋電子學(xué)器件的研發(fā)與應(yīng)用。因此，探索新型二維磁性材料簡(jiǎn)便可控的合成方法，發(fā)展高效率低功耗的磁調(diào)控方法，對(duì)開(kāi)發(fā)二維磁性材料在信息技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義與研究?jī)r(jià)值。

侯仰龍課題組提出藍(lán)寶石襯底臺(tái)階誘導(dǎo)外延生長(zhǎng)二維楔形磁性EuS（J. Am. Chem. Soc., 2022），結(jié)合理論模擬和深入表征，系統(tǒng)地提出了取向生長(zhǎng)和楔形生長(zhǎng)的機(jī)理（圖1）。低溫磁力顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)楔形EuS具有厚度依賴的磁性質(zhì)，為二維稀土化合物和楔形化合物的合成提供了新思路。此外，課題組利用空間限域的化學(xué)氣相沉積法獲得了超薄的室溫磁性Fe7Se8納米片（Nano Lett., 2022），通過(guò)調(diào)節(jié)前驅(qū)體揮發(fā)溫度和位置控制相比例，為其他非化學(xué)計(jì)量化合物的合成提供指導(dǎo)，二維高質(zhì)量Fe7Se8納米片的室溫磁性和自旋重取向特性在下一代自旋電子學(xué)器件展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。

針對(duì)低對(duì)稱性二維磁性材料的研究，課題組發(fā)展了一種通用的溫度振蕩化學(xué)氣相傳輸法生長(zhǎng)具有面內(nèi)強(qiáng)各向異性的反鐵磁半導(dǎo)體FeOCl（Adv. Mater., 2022），還建立了一種獨(dú)特的“與格外延”生長(zhǎng)范式，打破了晶格匹配生長(zhǎng)的限制，成功獲得Cr5Te8/WSe2超晶格（Adv. Mater., 2022），這些研究為開(kāi)發(fā)新型自旋電子器件奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

圖1 楔形EuS的生長(zhǎng)及機(jī)制探究

在前期系列研究的基礎(chǔ)上，課題組探索了二維磁性材料獨(dú)特的自旋和磁疇結(jié)構(gòu)。首次發(fā)現(xiàn)超薄Fe納米薄片具有厚度和幾何形狀依賴的磁渦旋結(jié)構(gòu)（Matter,2022），并且通過(guò)洛倫茲透射電鏡觀察到外部磁場(chǎng)對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的操縱。此外，研究人員在鐵磁外爾半金屬Co3Sn2S2中實(shí)現(xiàn)了電流直接高效地磁調(diào)控（Nat. Electron.,2022），研究團(tuán)隊(duì)首先利用改進(jìn)的化學(xué)氣相輸運(yùn)法在襯底上生長(zhǎng)了高質(zhì)量的Co3Sn2S2單晶納米片。通過(guò)電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入超過(guò)某一閾值的直流電流時(shí)，Co3Sn2S2的矯頑場(chǎng)發(fā)生顯著變化，僅需105?107A cm?2的電流密度就能將矯頑場(chǎng)從20.0 kOe降低至0.1 kOe。研究團(tuán)隊(duì)深入研究Co3Sn2S2的磁翻轉(zhuǎn)機(jī)制，建立了電流輔助的疇壁運(yùn)動(dòng)模型，并且可以通過(guò)調(diào)控接觸電極的幾何形狀進(jìn)一步減小改變矯頑力的閾值電流以及改變正負(fù)電流的對(duì)稱性。通過(guò)進(jìn)行電流和外場(chǎng)依賴的疇壁遷移率測(cè)量，獲得的STT效率與電流注入直接調(diào)制矯頑場(chǎng)的效率定量相符，從而證明了Co3Sn2S2在150 K具有高達(dá)2.4?5.6 kOe MA?1cm2的STT效率，是目前所有材料體系中最高的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在160 K推動(dòng)Co3Sn2S2磁疇壁的電流密度閾值在零外場(chǎng)下小于5.1 × 105A cm?2，在0.2 kOe外場(chǎng)下小于1.5 × 105A cm?2，均是已知鐵磁金屬材料中最小的，兼具器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率和低閾值等優(yōu)點(diǎn)（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)結(jié)合了磁性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和金屬性，為磁性外爾半金屬應(yīng)用于下一代自旋電子學(xué)器件提供了有力的實(shí)驗(yàn)和理論支持。

圖2 電流調(diào)控Co3Sn2S2器件的磁翻轉(zhuǎn)。

近日，相關(guān)論文以《Magnetism modulation in Co3Sn2S2by current-assisted domain wall motion》（Co3Sn2S2中通過(guò)電流輔助疇壁運(yùn)動(dòng)進(jìn)行磁性調(diào)制）為題在NatureElectronics上發(fā)表。北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院侯仰龍教授、北京大學(xué)物理學(xué)院葉堉研究員以及中國(guó)科學(xué)院物理研究所劉恩克研究員擔(dān)任通訊作者，北京大學(xué)物理學(xué)院2021屆本科畢業(yè)生王秋原（現(xiàn)美國(guó)麻省理工學(xué)院博士研究生）、北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)博士研究生曾怡為論文共同第一作者。

上述系列研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中德國(guó)際合作項(xiàng)目、磁性功能材料與器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00879-8