吴曙翔副教授团队在晶圆级室温二维铁磁材料研究取得重要进展

探索二维铁磁体在厚度极限下的长程磁有序，对于推进基础物理研究和开发能够以低能耗操控磁化的新型磁性和自旋电子学器件具有重要意义。在三维系统中，磁性主要受交换作用影响，从而在有限温度下实现磁相变。而在二维海森堡模型中，由于Mermin–Wagner定理的限制，热涨落显著抑制了二维铁磁长程磁有序的形成。然而，二维铁磁体中的磁晶各向异性能可打开较大的自旋波激发能隙，从而有效抑制热涨落，并促进二维铁磁性在有限温度下出现。在块状晶体中观察到的室温长程铁磁有序是否能在几个单胞层(unit cell, u.c.)或1 u.c.薄膜保持仍然是一个悬而未决的问题，由于高温下的热涨落可能轻易破坏二维铁磁有序。在厚度极限下保持铁磁材料的长程铁磁有序与强磁各向异性能密切相关。目前报道的二维铁磁体展现出软磁特性和较低的磁各向异性能。此外，这些二维铁磁材料均为从块状单晶剥离的薄片，导致其厚度和尺寸难以控制，阻碍了其在自旋电子学中的深入研究和实际应用。因此，探索出具有本征铁磁性、高于室温的居里温度、强磁各向异性能且与传统微电子器件相兼容的晶圆级二维铁磁材料显得尤为紧迫。

鉴于此，吴曙翔副教授课题组通过分子束外延（MBE）成功制备了单胞层数可控的晶圆级二维铁磁体Fe₃GaTe₂薄膜。所外延生长的Fe₃GaTe₂薄膜展现出很强的垂直磁各向异性的铁磁性。9 u.c.外延薄膜的居里温度高达420 K且在300 K时垂直磁各向异性能比目前被广泛研究的CoFeB薄膜还高数倍。当外延薄膜厚度降到极限时，1 u.c.薄膜的铁磁有序依然得以保持，其居里温度可达345 K，这得益于其较强的垂直磁各向异性能。与机械剥离的Fe₃GaTe₂薄片相比，在相同厚度下所外延薄膜的居里温度超过60 K以上，这可能归因于衬底所引起的拉伸应变效应。第一性原理计算发现，外延Fe₃GaTe₂薄膜中铁磁性增强除了源于应力提升了磁交换耦合外，还与应力增强了其磁各向异性能有关。由于较强的磁各向异性能可通过抑制热涨落稳定铁磁性且避免长程铁磁有序被破坏。晶圆级室温二维铁磁材料的成功制备，标志着磁性材料科学等领域的一项重要进展，为基于二维磁体的自旋电子学器件的发展奠定了坚实的材料基础。

相关成果最近以“Robust ferromagnetism in wafer-scale Fe₃GaTe₂ above room-temperature”为题发表于《Nature Communications》(Nature Communications, 2024, 15, 10765. doi: 10.1038/s41467-024-54936-1)上。该研究工作与中国科学院物理所、香港科技大学、新加坡国立大学及杭州师范大学合作，我集团吴曙翔副教授为第一作者/通讯作者，ok138cn太阳集团为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省自然科学基金、太阳集团tyc138光电材料与技术国家重点实验室以及ok138cn太阳集团公共仪器共享平台的鼎力支持。

图1 a. Fe₃GaTe₂的分子结构示意图。b. 外延Fe₃GaTe₂（18 u.c.）的光学图像，尺寸为2 cm × 2 cm。 c.剖面STEM测试表明外延薄膜厚度为28 nm, 对应于18单胞层厚度。d. EDS 成像展示出Fe, Ga, 及 Te 元素均匀分布。e. HAADF-STEM晶体结构测试表明外延Fe₃GaTe₂薄膜为范德华尔斯层状结构。

图2  a. 9 u.c. Fe₃GaTe₂在2000 Oe外磁场下的磁化强度随温度 (M-T) 变化展现其居里温度达420 K。 b. 9 u.c. Fe₃GaTe₂在不同温度下外磁场中的M-H曲线。 c. 9 u.c. Fe₃GaTe₂在300 K下外磁场和平面磁场中的M-H曲线，表明外延薄膜在室温以上具有垂直磁各向异性。 d. 1 u.c. Fe₃GaTe₂ 的M-T 变化展现其居里温度达345 K。 e. 1 u.c. FGT在不同温度下外磁场中的M-H曲线。 f. 1 u.c. FGT在300 K下外磁场和平面磁场中的M-H曲线表明在厚度极限下仍具有垂直磁各向异性。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54936-1

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军