中山大學材料科學與工程學院副教授吳曙翔團隊與中國科學院物理研究所、香港科技大學、新加坡國立大學及杭州師范大學合作，在晶圓級室溫二維鐵磁材料研究方面取得重要進展。近日，相關成果發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。
探索二維鐵磁體在厚度極限下的長程磁有序，對于推進基礎物理研究和開發低能耗操控磁化的新型磁性和自旋電子學器件具有重要意義。在三維系統中，磁性主要受交換作用影響，從而在有限溫度下實現磁相變。而在二維海森堡模型中，由于Mermin–Wagner定理的限制，熱漲落會抑制二維鐵磁長程磁有序的形成。然而，較強的磁晶各向異性能可打開自旋波激發能隙，有效抑制熱漲落，促使二維鐵磁性在有限溫度下出現。在塊狀晶體中觀察到的室溫長程鐵磁有序是否能在幾個單胞層（unit cell，u.c.）或1 u.c.薄膜中保持仍是一個懸而未決的問題，由于高溫下的熱漲落可能輕易破壞二維鐵磁有序。在厚度極限下保持鐵磁材料的長程鐵磁有序與磁交換耦合有關外，與磁各向異性能強弱也密切相關。
目前報道的二維鐵磁體展現出軟磁特性和較低的磁各向異性能。此外，這些二維鐵磁材料均為從塊狀單晶剝離的薄片，導致其厚度和尺寸難以控制，阻礙了其在自旋電子學中的深入研究和實際應用。因此，探索出具有本征鐵磁性、高于室溫的居里溫度、強磁各向異性能且與傳統微電子器件相兼容的晶圓級二維鐵磁材料顯得尤為緊迫。
為此，吳曙翔團隊在廣東省自然科學基金等項目的資助下，通過分子束外延成功制備出單胞層數可控的晶圓級二維鐵磁體Fe3GaTe2薄膜。所外延生長的Fe3GaTe2薄膜展現出很強的垂直磁各向異性的鐵磁性。9 u.c.外延薄膜的居里溫度高達420 K且在300 K時垂直磁各向異性能比目前被廣泛研究的CoFeB薄膜還高數倍。當外延薄膜厚度降到極限時，1 u.c.薄膜的鐵磁有序依然得以保持，其居里溫度可達345 K，這得益于其較強的垂直磁各向異性能。與機械剝離的Fe3GaTe2薄片相比，在相同厚度下所外延薄膜的居里溫度超過60 K以上，這可能歸因于襯底所引起的拉伸應變效應。第一性原理計算發現，外延Fe3GaTe2薄膜中鐵磁性增強除了源于應力提升了磁交換耦合外，還與應力增強了其磁各向異性能有關。由于較強的磁各向異性能可通過抑制熱漲落穩定鐵磁性且避免長程鐵磁有序被破壞。
晶圓級室溫二維鐵磁材料的成功制備，標志著磁性材料科學等領域的一項重要進展，為基于二維磁體的自旋電子學器件的發展奠定了堅實的材料基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54936-1
本文鏈接：學者成功制備出晶圓級室溫二維鐵磁材料http://www.lensthegame.com/show-11-16367-0.html
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