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二維磁性材料因其新奇獨特的物性備受關注，在高密度信息存儲、高速運算等領域具有重大應用價值。然而，目前的二維磁性材料大多磁轉變溫度低，制備難度大，缺乏有效的通用制備方法，極大地限制了其實際應用。此外，下一代自旋電子學器件也存在瓶頸，如自旋軌道力矩（spin-orbit torque, SOT）器件需要復雜的多層膜結構；自旋轉移力矩（spin-transfer torque, STT）器件難以直接調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，這些挑戰限制了下一代自旋電子學器件的研發與應用。因此，探索新型二維磁性材料簡便可控的合成方法，發展高效率低功耗的磁調控方法，對開發二維磁性材料在信息技術等領域的應用具有重要的科學意義與研究價值。

侯仰龍課題組提出藍寶石襯底臺階誘導外延生長二維楔形磁性EuS（J. Am. Chem. Soc., 2022），結合理論模擬和深入表征，系統地提出了取向生長和楔形生長的機理（圖1）。低溫磁力顯微鏡表征發現楔形EuS具有厚度依賴的磁性質，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氣相沉積法獲得了超薄的室溫磁性Fe7Se8納米片（Nano Lett., 2022），通過調節前驅體揮發溫度和位置控制相比例，為其他非化學計量化合物的合成提供指導，二維高質量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器件展現了巨大的應用前景。

針對低對稱性二維磁性材料的研究，課題組發展了一種通用的溫度振蕩化學氣相傳輸法生長具有面內強各向異性的反鐵磁半導體FeOCl（Adv. Mater., 2022），還建立了一種獨特的“與格外延”生長范式，打破了晶格匹配生長的限制，成功獲得Cr5Te8/WSe2超晶格（Adv. Mater., 2022），這些研究為開發新型自旋電子器件奠定了重要的材料基礎。

圖1 楔形EuS的生長及機制探究

在前期系列研究的基礎上，課題組探索了二維磁性材料獨特的自旋和磁疇結構。首次發現超薄Fe納米薄片具有厚度和幾何形狀依賴的磁渦旋結構（Matter,2022），并且通過洛倫茲透射電鏡觀察到外部磁場對磁疇結構的操縱。此外，研究人員在鐵磁外爾半金屬Co3Sn2S2中實現了電流直接高效地磁調控（Nat. Electron.,2022），研究團隊首先利用改進的化學氣相輸運法在襯底上生長了高質量的Co3Sn2S2單晶納米片。通過電學輸運測量發現當注入超過某一閾值的直流電流時，Co3Sn2S2的矯頑場發生顯著變化，僅需105?107A cm?2的電流密度就能將矯頑場從20.0 kOe降低至0.1 kOe。研究團隊深入研究Co3Sn2S2的磁翻轉機制，建立了電流輔助的疇壁運動模型，并且可以通過調控接觸電極的幾何形狀進一步減小改變矯頑力的閾值電流以及改變正負電流的對稱性。通過進行電流和外場依賴的疇壁遷移率測量，獲得的STT效率與電流注入直接調制矯頑場的效率定量相符，從而證明了Co3Sn2S2在150 K具有高達2.4?5.6 kOe MA?1cm2的STT效率，是目前所有材料體系中最高的。實驗發現在160 K推動Co3Sn2S2磁疇壁的電流密度閾值在零外場下小于5.1 × 105A cm?2，在0.2 kOe外場下小于1.5 × 105A cm?2，均是已知鐵磁金屬材料中最小的，兼具器件結構簡單、高效率和低閾值等優點（圖2）。這些發現結合了磁性、拓撲結構和金屬性，為磁性外爾半金屬應用于下一代自旋電子學器件提供了有力的實驗和理論支持。

圖2 電流調控Co3Sn2S2器件的磁翻轉。

近日，相關論文以《Magnetism modulation in Co3Sn2S2by current-assisted domain wall motion》（Co3Sn2S2中通過電流輔助疇壁運動進行磁性調制）為題在NatureElectronics上發表。北京大學材料科學與工程學院侯仰龍教授、北京大學物理學院葉堉研究員以及中國科學院物理研究所劉恩克研究員擔任通訊作者，北京大學物理學院2021屆本科畢業生王秋原（現美國麻省理工學院博士研究生）、北京大學材料科學與工程學院2018級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家重點研發計劃、國家自然科學基金、中德國際合作項目、磁性功能材料與器件北京市重點實驗室等支持。

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