二维磁性材料FeGeTe中交换偏置效应的低电压、非易失调控

对材料磁性的调控是自旋电子学的重要课题，在诸多调控方式中，电场因其可控、可靠以及能耗低的特点成为主要的调控方式。在电场的作用下，在电介质/磁性层界面处可能产生应力、电荷掺杂、轨道重组、电化学等效应，这些效应能够对磁性层进行有效调控。较弱的层间耦合为范德瓦尔斯（vdW）磁性材料提供了一个全新的可调节维度。最近的实验研究发现范德瓦尔斯材料的磁性可以通过多种门电压进行调控，但这些调控方式大多是易失的，并且需要至少几伏的电压，实现低电压、非易失调控是研制低功耗自旋电子器件的关键之一。

研究者通过在vdW金属铁磁体Fe₃GeTe₂（FGT）上溅射生长MgO实现了在FGT/MgO界面处生成具有反铁磁性的离子改性Fe₃GeTe₂（i-FGT）,该层与FGT相互作用产生了自发交换偏置效应，并且该效应可在等温条件下利用磁场控制（如图1）。进一步的研究发现，施加-40~20 mV栅极电压，即能实现对矫顽场0~1600 Oe以及交换偏置场0~700 Oe的大范围调控，并且该调控过程为非易失的，所需调控电压比以往报导的低2个数量级。经过解析磁滞回线与电场的关系发现，调控过程中的交换偏置场以及矫顽场的变化与i-FGT与FGT的层间磁耦合相关，而这种耦合强度的调节是通过改变FGT层间相互作用来实现（如图2）。为了进一步探究在FGT/MgO结构中电场调控磁学性能的物理机制，研究者进行了一系列输运测试，发现漏电流随电压的响应呈现出忆阻效应，并且调控效果具有明显的时间依赖性。如果抑制体系中形成i-FGT，则电场对体系无明显调控。理论计算证实了O^2-的注入能够有效调节FGT的层间距以及层间磁耦合强度。综上所述，研究者认为FGT/MgO结构中的调控效果来源于电场驱动O^2-在FGT中的注入/抽取来实现对FGT层间相互作用的调控。

图1.（a,b）FGT/MgO器件结构示意图；（c,d）R_xx-T以及R_xy-T曲线；（e,f）R_xy随磁场变化曲线。

图2.（a）不同栅极电压下的反常霍尔曲线；（b,c）0 mV以及5 mV极化后反常霍尔曲线拟合；（d）H_C以及H_EB随电场的变化曲线；（e）上、下层FGT中矫顽场的比值H_C(T)/H_C(B)随栅极电压的变化曲线；（f）不同电压下界面自旋排列示意图。

图3.（a）器件结构示意图；（b）I_g-V_g曲线；（c）第一性原理计算O^2-注入前（左）后（右）FGT晶格参数的变化。

这项研究在全固态FGT/MgO结构中，首次实现了利用毫伏级电压对其交换偏置场和矫顽场的高效非易失调控，对设计实现高稳定性、低能耗以及低维度的自旋电子器件提供了新的思路。相关工作以“Giant and nonvolatile control of exchange bias in Fe₃GeTe₂/irradiated Fe₃GeTe₂/MgO heterostructure through ultralow voltage”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，课题组博士生吴清梅、清华大学助理研究员张莹莹为论文共同第一作者，陆亚林教授、崔璋璋副研究员、傅正平副教授为共同通讯作者。