北航在二维磁性调控领域取得重要进展

近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、聂天晓教授、卢海昌副教授团队与法国洛林大学让·拉莫尔研究所Stéphane Mangin教授团队合作，在二维磁性调控领域取得重要进展。团队提出了一种通过界面效应提升二维磁性材料Fe4GeTe2居里温度的方法，通过在界面上引入轨道耦合作用，可以将Fe4GeTe2的居里温度提升至530 K，这一数值远高于所有已知的二维磁性材料。此工作揭示了界面效应在二维磁性调控中的巨大潜力，为实现室温下二维自旋器件的制备奠定了基础。2023年4月30日，相关研究成果以“Interfacial engineering of ferromagnetism in wafer-scale van der Waals Fe4GeTe2 far above room temperature”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。

随着集成电路关键节点进入1 nm阶段，在尺寸极限与功耗极限的限制下，摩尔定律的发展正逐渐走向瓶颈。二维磁性材料在低维下具有丰富的物理特性，同时能兼具二维材料高集成度和自旋电子材料低功耗的优点，被认为是研发新型低维自旋器件，帮助摩尔定律突破“尺寸墙”与“功耗墙”的重要材料。

然而，由于维度效应的限制，二维磁性材料难以在较高温度下维持其铁磁性，现有的几种提升居里温度的方法也难以实现可控、高效、便捷的磁性调控。为了解决这一难题，研究团队首先使用分子束外延方法成功实现了二维磁性Fe4GeTe2薄膜的大规模制备，并利用多种磁学表征手段证明其居里温度具有反常的维度依赖性，在薄膜厚度为4 nm时居里温度可高达530 K。为了解释这一现象，论文提出了一个包含RKKY交换作用的Heisenberg模型来描述Fe4GeTe2薄膜中的二维磁性。基于此模型，论文使用第一性原理计算对Fe4GeTe2/Al2O3界面的电子结构进行仿真，发现来自界面上轨道耦合引入的电子局域态移动是居里温度提升的原因。进一步地，研究团队通过厚度依赖的光电子能谱验证了Fe4GeTe2中Fe d电子局域态的移动与界面的关系，证实了这一界面调控作用的存在。

进一步地，基于以上理论模型，论文也提出了一种通过磁性掺杂实现居里温度调控的方法。通过在生长时对Fe4GeTe2中Fe束流的精确调控，实现了Fe4GeTe2的三种磁性二维相：Fe4GeTe2，Fe4+xGeTe2和Fe4-xGeTe2，并通过电学和磁学测试揭示了Fe4GeTe2居里温度和磁各向异性随掺杂浓度的变化情况，实验结果与理论预测的结果一致。这一结果证明了Fe4GeTe2作为自旋器件的巨大潜力，为实现室温工作下的二维自旋器件奠定了基础。

集成电路科学与工程学院2018级博士生王航天，副教授卢海昌为本论文的第一作者，赵巍胜教授、聂天晓教授、卢海昌副教授、Stéphane Mangin教授为论文共同通讯作者。其他合作者还包括洛林大学Thomas Hauet教授，剑桥大学John Robertson教授等。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、北航卓越学术基金等支持。

北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、聂天晓教授和卢海昌副教授团队瞄准科研前沿方向，长期致力于二维磁性材料及二维自旋器件的研究，并取得一系列进展。相关成果发表于《自然–通讯》（Nature Communications）、《先进材料》（Advanced Materials）、《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）、《ACS–纳米》（ACS Nano）等国际知名期刊。