加州大學伯克利分校張翔教授Science綜述：二維磁性晶體及新興的異質結器件

【引言】

幾個世紀以來，人類探索磁性及其相關現象的腳步從未停歇。磁石對鐵的神奇吸引力以及鳥、魚或昆蟲在相隔數千英里的目的地之間的導航能力，在電磁學和量子力學發展的早期，很難想象這些有趣的現象具有相同的磁性起源。磁性來源于基本粒子的運動電荷與自旋，因此，它和電子一樣普遍存在。磁性在生物活體及能量收集、數據存儲和醫學診斷中都具有廣泛的應用。當無窮小的“電子磁體”自發對齊時，磁序就構成物質的基本相位，就可制備出很多功能性裝置，例如發電機和電動機、磁阻存儲器和光學阻隔器等。如果能在原子層厚的平臺上產生這種磁序，將為集成化的、柔性的以及生物兼容性的器件提供巨大的應用潛力，然而，由于自身的局限，這樣的二維磁體并不容易獲得。

【成果簡介】

近日，加州大學伯克利分校張翔教授（通訊作者）等人綜述了二維（2D）磁性晶體及其異質結的研究進展并且展望了這種材料可能在信息領域獲得應用。近年來發現的2D磁性范德瓦爾斯晶體為理解2D磁性提供了理想的平臺，通過控制2D磁性可以促進原子層厚的、柔性磁光和電磁器件（如磁阻存儲器和自旋場效應晶體管）的實際應用。2D磁體與不同的電子和光子材料之間的無縫化集成為實現單一材料前所未有的性能和功能開辟了一條嶄新的途徑。該論文回顧了這一領域的研究進展，并確定了器件應用的可能方向，同時有望引起自旋電子學、傳感器和計算機等領域的進一步突破。該綜述以題為“Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices”發表于國際頂尖期刊Science。

【圖文導讀】

圖一 不同維度鐵磁體的基本物理參數和自旋激發

（A、B）在共線磁體中，交換相互作用與磁的各向異性是基本參數；交換相互作用由電子的反對稱波函數引起并且在鮑利不相容原理下受庫倫相互作用的約束，自旋之間的交換相互作用可以直接建立（紅色虛線1）或由傳導電子（帶有虛線標記2的綠色球）或中間陰離子（帶有虛線標記3的橙色球）間接介導；當自旋對齊時，通常存在一個擇優取向，即為磁各向異性；磁各向異性有很多來源，例如磁晶各向異性、形狀各向異性和應力各向異性等
（C-F）在2D各向同性的海森堡鐵磁體中，由于自旋波激發間隙的缺失、磁子態密度的突然出現以及零能量下發散的波色-愛因斯坦統計等原因，磁子將在非零溫度下發生大規模的激發，其結果是長程磁序的崩潰；單軸磁各向異性（UMA）打開了自旋波激發間隙，從而抵抗了磁子的熱擾動，導致有限的居里溫度；隨著系統從2D發展到3D，磁子DOS譜在激發閾值處由階躍函數逐漸增大為零；因此，在3D系統中，UMA不是存在有限溫度長程磁序的先決條件

圖二 非磁性2D材料中誘導磁性的示意圖

（A）Ar⁺輻照石墨烯所生成碳空位的STM形貌圖，比例尺為5 nm
（B）由單個氫原子修飾的石墨烯局部磁矩示意圖（中間的白色小球），同樣的自旋-極化態在相同亞晶格的碳位上擴展了幾納米，但相反的自旋-極化態占據了另外的碳位亞晶格
（C）磁化與磁場平行于氟化石墨烯的平面，點是實驗數據，實線是基于布里淵區函數的擬合曲線，在液氦溫度下，氟化石墨烯和具有空位缺陷的石墨烯均未發現鐵磁性
（D）在磁絕緣體YIG上制備的石墨烯場效應晶體管的示意圖
（E）覆蓋有一層沉積的磁性絕緣體EuS薄膜的石墨烯場效應晶體管的示意圖，非磁性2D材料可以通過接觸磁性材料而獲得磁性
（F）在電偏置Bernal堆垛雙層石墨烯中計算墨西哥帽的帶分散，存在于墨西哥帽邊緣的發散電子DOS可能導致鐵磁斯托納的不穩定性

圖三 具有代表性的2D磁性晶體

（A-C）在SiO₂/Si上剝離的少層Cr₂Ge₂Te₆的光學圖像、克爾圖像和維數效應，比例尺為10 μm
（D-E）CrI₃的原子結構和石墨夾層2D CrI₃（依賴于厚度）的克爾信號磁滯回線，在D中，橘色箭頭代表鐵磁耦合自旋磁矩；在E中，紅色和藍色垂直箭頭分別代表自旋向上和自旋向下的磁矩
（F-G）Fe₃GeTe₂的原子結構和2D Fe₃GeTe₂在Al₂O₃薄膜上的依賴于厚度的歸一化剩余反常霍爾電阻，其在Fe₃GeTe₂塊狀晶體在10^-4 mbar的氧氣壓力中通過熱蒸發鋁而制成，然后再進行多次轉移與剝離
（H-I）通過MBE生長在HOPG上的亞單層VSe₂以及生長在MoS₂的大部分單層VSe₂的磁滯STM圖像，比例尺為20 nm
（J-K）通過MBE在GaSe上生長出的范德瓦爾斯MnSe₂的原子結構以及平均單層MnSe_x的面外磁滯，在J中橙色箭頭代表鐵磁耦合的自旋磁矩，在K中，紅色和藍色曲線分別代表當磁場從正掃到負，再由負掃到正時磁滯回線的半支

圖四 2D磁體的界面工程

（A）電荷遷移和界面的偶極子，橙色球和紅色球分別代表電子和空穴
（B）界面雜化，下部的綠條表示2D磁體，上部的深綠條表示異種材料，啞鈴代表兩種材料的電子軌道，重疊于界面處形成雜化
（C）應變效應，下部的實心條表示與不異種材料接觸的拉伸2D磁體，下部虛線表示未受應力的2D磁體且未與材料頂部接觸
（D）額外的超交換相互作用，帶箭頭的橙色圓圈表示相鄰材料的元素，這些元素提供了額外的通道來介導2D磁體中磁性離子間的超交換相互作用，其由帶箭頭的紅色實心球表示
（E）結構擾動，綠色波浪綠帶表示2D磁體，由于與相鄰材料接觸使結構受到擾動
（F）能帶重正化，實線表示能帶重正化后與相鄰材料接觸的2D磁體的電、磁或聲子的帶分散，虛線表示能帶重正化前未接觸相鄰材料的相同的帶分散
（G）介電屏蔽，帶有箭頭的紅球表示2D磁體中的交換耦合電子，橙色曲線是連接電子的電場線，介電常數ε越高表明環境對庫倫相互作用的屏蔽越大，交換相互作用對庫倫相互作用的影響使2D磁體易受到介電屏蔽
（H）自旋-軌道耦合（SOC）近似，通過接觸重元素材料，對2D磁體中的SOC進行了有效地改性，從而導致磁性晶體各向異性地變化

圖五 基于2D磁體或磁性異質結的自旋電子、磁電子和自旋-軌道電子器件

（A-B）基于Fe_0.25TaS₂-Ta₂O₅-Fe_0.25TaS₂的MTJ，鐵夾層的TaS₂具有鐵磁性，表面天然氧化物被用作絕緣間隔層；（A）Fe夾層TaS₂的原子結構，（B）MTJ三明治截面的TEM圖像
（C-D）基于石墨-CrI₃-石墨的MTJ，（C）是MTJ示意圖，（D）與磁場相關的隧穿電導
（E）石墨烯-YIG異質結的示意圖，其可用于基于自旋泵浦的自旋-電荷轉換
（F）自旋-軌道轉矩測量系統的原理圖，其核心結構是WTe₂-坡莫合金異質結，插圖是所測試器件的光學圖像
（G-H）基于雙層A-型反鐵磁體的自旋場效應晶體管示意圖，及其預測的電學性能

圖六 范德瓦爾斯磁體庫

綠色是塊體鐵磁范德瓦爾斯晶體，橙色是塊體多鐵性材料，灰色是從理論上預測的范德瓦爾斯鐵磁體，半金屬（中間）和多鐵性材料（右側）還未被實驗所證實，紫色是α-RuCl₃（近似于Kitaev量子自旋液體）

【小結】

最近發現的2D磁性晶體為研究強量子限域下自旋集合體的基態、基本激發、動力學等提供了一個理想的平臺。這種2D磁性晶體在性能和應用前景上都有別于傳統的磁性薄膜和非磁性2D材料，維數、相關性、電荷、軌道特征和拓撲性使2D磁性晶體及其異質結極大豐富了凝聚態系統，并使其具有大量獨特的性質。2D材料具有易受到多種外界刺激等突出特點，可以通過電學、力學、化學和光學等方法控制2D磁性。由于異質結具有優越的相容性，因而范德瓦爾斯異質結為設計2D磁性、磁電性和磁-光人工異質結提供了誘人的機會，而且接觸性2D磁體材料會影響2D磁性能。新的自旋電子、磁電子和自旋-軌道電子器件已經開始出現，將影響人類未來的發展進程。

文獻連接：Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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