皇家墨爾本理工大學&成均館大學Nat. Commun. ：納米片范德華磁性材料Fe3GeTe2的硬磁性能

【引言】

自從機械剝離法成功分離單層石墨烯開始，二維（2D）范德華（vdW）材料受到了學術界相當的關注。這些材料揭示了新穎的光學和電子學特性。這些材料堆疊的異質結構含有更多有趣的特性。在過去的幾年中，拉曼光譜和電子傳輸測量已經在vdW磁體上進行。最近，研究人員在兩種絕緣vdW磁性材料Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃以及基于vdW鐵磁異質結構的新型器件中成功發現了二維鐵磁性。這項發現有助于設計和制造許多基于vdW磁體的器件。例如，將vdW鐵磁金屬材料與具有強自旋-軌道相互作用的vdW金屬堆疊，可以用于設計制造自旋-軌道扭矩器件。然而，為了開發鐵磁vdW材料作為基于vdW異質結構的自旋電子學的基礎材料，具有硬磁相和高剩磁與飽和磁化（M_R/M_S）比的鐵磁vdW金屬是必不可少的。

本文研究了單晶FGT納米薄片的異常霍爾效應，發現它們的磁性高度依賴于厚度。當厚度減小到小于200nm，形成硬磁相具有大的矯頑力和接近方形的滯后回線。本文提出了一個模型來描述FGT薄片的硬磁行為。這個模型適用于具有強垂直各向異性和方形磁環的其他vdW鐵磁薄膜或納米薄片。

【成果簡介】

二維vdW材料是目前比較熱門的研究領域，多項相關研究表明其具有出色的光學和電學特性。然而，目前有關vdW材料的磁性和其在自旋電子學應用的科研成果仍比較匱乏。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Wang Lan（通訊作者）和韓國成均館大學的Changgu Lee（通訊作者）等人研究了不同厚度的單晶金屬Fe₃GeTe₂納米片的反常霍爾效應測量。這些納米薄片具有接近方形磁環的單一硬磁相，較大的矯頑力（在2K時，高達550mT），接近200K的居里溫度和極強的垂直磁各向異性。通過臨界性分析，Fe₃GeTe₂中vdW原子層之間的耦合范圍約為5個vdW原子層。Fe₃GeTe₂的磁性能突出了其整合到vdW磁異質結構器件中的潛力，為基于這些器件的自旋電子學研究和應用鋪平了道路。相關成果以“Hard magnetic properties in nanoflake van der Waals Fe₃GeTe₂”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1在2K溫度，不同厚度的FGT納米片的R_xy（B）圖

（a）FGT單晶塊體，尺寸L×W×T=1.8 mm×0.8 mm×0.3 mm，M_R/M_S=0.0715；

（b）329 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=44.4 μm×49.4 μm×329 nm，M_R/M_S=0.0807；

（c）191 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=14.7 μm×9.25 μm×191 nm，M_R/M_S =0.9757；

（d）82 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=10.3 μm×19.5 μm×82 nm，M_R/M_S =0.9839；

（e）49 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=12.6 μm×13.1 μm×49 nm，M_R/M_S =0.9980；

（f）10.4nm的FGT器件，尺寸L×W×T=12.7 μm×8.79 μm×10.4 nm，M_R/M_S =0.9973。

圖2 居里溫度（T_C）的厚度依賴性圖

居里溫度（T_C）的厚度依賴性圖。

?圖3 10.4 nm厚度FGT器件的反常霍爾效應測量

（a）在2-140K的溫度范圍FGT納米片的反常霍爾效應R_xy（B）曲線，顯示出硬鐵磁性質；

（b）在150到185K溫度范圍的R_xy（B）曲線；

（c）歸一化R_xy（T）曲線和基于平均場理論J=1，J=∞和自旋波理論的三條擬合曲線；

（d）在2-150K內，矯頑力的溫度依賴性關系圖。

圖4 角依賴霍爾效應測量和改進的Stoner-Wohlfarth模型圖

（a，b）R_xy（B）在外加磁場與垂直于厚度為10.4nm的納米片表面的方向之間以不同角度曲線圖；

（c）在85℃，從-6到6T的范圍內的標準化的R_xy（B）曲線；

（d）不同溫度下，有效矯頑力的有效角度依賴性圖；

（e）K_A（單位磁籌的磁各向異性能）和V（外磁場作用下首先翻轉的磁籌體積）的溫度依賴性圖；

（f）Stoner-Wohlfarth模型中使用的變量的示意圖；

（g）磁系統由亞穩態轉變為非穩定態的示意圖。

【小結】

本文研究發現FGT納米薄片是vdW二維金屬鐵磁體，其矯頑力較大，M_R/M_S比值為1，含有相對較高的T_C和強的垂直各向異性。在基于vdW材料的巨磁電阻、隧穿磁阻和自旋軌道扭矩異質結構的各種vdW磁異質結構中，這種材料具有很好的研究價值。這一發現為未來基于范德華材料的異質結構的自旋電子學的研究鋪平了道路。

【團隊介紹】

皇家墨爾本理工大學王瀾教授的團隊于2015年末在澳大利亞墨爾本成立，團隊現有副教授1人，博士后2人，博士生4人。團隊領導王瀾教授擁有新加坡國立大學和美國明尼蘇達大學雙博士學位，現任皇家墨爾本理工大學物理系副教授，澳大利亞研究委員會未來低能電子技術卓越中心（FLEET：ARC Centre of Excellence in Future?Low-Energy Electronics Technologies）納米器件制造處主任。

團隊目前主要研究方向是基于二維材料異質結，新奇量子材料，拓撲絕緣體的電子器件和自旋電子器件的電子輸運測量。主要實驗方法是生長單晶，薄膜，和納米材料，并用二維材料機械剝離，二維材料堆疊，光刻，電子刻等方法制造基于這些材料的電子和自旋電子器件。目標是研究材料和器件物理，設計和制造下一代自旋電子原型器件。近幾年的首要目標是實現基于二維材料異質結（鐵磁絕緣體包夾拓撲絕緣體）的量子反常霍爾效應。

團隊現有1臺物性測量系統（PPMS,Quantum Design, Evercool,磁場±9T，溫度1.8K，配自搭的測量系統進行各種電輸運測量），基于手套箱（水，氧<0.1 ppm）和光學顯微鏡的超凈二維材料異質結堆疊系統,旋涂儀，1套CVD材料生長系統和1臺單晶生長管式爐等。學校公共實驗室擁有光刻機，電子刻系統，等離子刻蝕系統，電子束蒸發鍍膜系統，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡等，可以便捷地進行各種材料表征測試和納米電子器件制造。2018年年底前該實驗室還會完成搭建1臺磁性測量系統（MPMS，Quantum Design磁場±7T，溫度1.8K，也可進行電子輸運測量），1臺超凈二維材料異質結堆疊系統和2臺磁控濺射系統。未來實驗室還將搭建光電子能譜平臺（資金已下達），磁光克爾效應光譜測量平臺(MOKE)和光電流測量平臺（光學平臺已準備）。

王瀾教授課題組現已獲得澳大利亞研究委員會未來低能電子技術卓越中心和美國洛克希德馬丁公司的資金支持。目前團隊正致力于成為領域內世界領先的一流課題組，團隊最近在《自然·通訊》上發文1篇，各項研究和實驗室建設工作正在有條不紊進行，未來會有更多高水平科研成果出爐。

相關網站鏈接：https://www.fleet.org.au/blog/custom-nanoscale-structures-on-demand-rmit/

https://www.rmit.edu.au/contact/staff-contacts/academic-staff/w/wang-associate-professor-lan#collapseOne

文獻鏈接：Hard magnetic properties in nanoflake van der Waals Fe₃GeTe₂（Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018- 04018-w）。

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