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rlafite木蟲 (正式寫手)
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二維材料中磁性的電學(xué)控制有望推動(dòng)自旋電子學(xué)的發(fā)展
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二維材料中磁性的電學(xué)控制有望推動(dòng)自旋電子學(xué)的發(fā)展 傳統(tǒng)電子器件通過利用電子的電荷來處理信息。在過去幾十年中，一些電子工程師一直在探索另一類器件的潛力，這類器件通過利用電子的內(nèi)稟磁矩（即自旋）來處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 這些器件被稱為自旋電子學(xué)（spintronics）器件，與當(dāng)前電子器件相比，它們可能消耗更少能量、處理數(shù)據(jù)更快，并且更容易實(shí)現(xiàn)小型化。對(duì)于致力于開發(fā)自旋電子器件的工程師來說，一個(gè)核心目標(biāo)是尋找能夠在不浪費(fèi)能量的情況下控制器件磁性的有效策略。 一種有前景的磁性控制方法是使用多鐵材料（multiferroics）。這類材料同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性：鐵電性意味著材料中的正負(fù)電荷能夠永久分離，而鐵磁性則意味著材料中的磁矩能夠保持有序排列。當(dāng)其中一種性質(zhì)能夠用來控制另一種性質(zhì)時(shí)，這種現(xiàn)象被稱為磁電耦合（magnetoelectric coupling）。 來自馬里蘭大學(xué)（UMD）及其他研究機(jī)構(gòu)的研究人員最近在一種范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了磁電耦合。該結(jié)構(gòu)由原子級(jí)厚度的材料層堆疊而成，這些層之間通過較弱的范德華力結(jié)合在一起。他們發(fā)表在《Nature Electronics》上的論文報(bào)道了在二維材料中對(duì)磁性的穩(wěn)定且可逆的電學(xué)控制。 論文通訊作者 Cheng Gong 在接受 Phys.org 采訪時(shí)表示： “據(jù)我所知，這項(xiàng)工作首次在實(shí)驗(yàn)上證明了二維鐵電材料可以控制二維磁性。” “近年來，類似的由二維鐵電體和二維磁體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)也被研究過，但這些工作沒有展示磁性的‘非易失性’電學(xué)控制。磁性中的易失性電效應(yīng)可能來源于簡單的電場(chǎng)效應(yīng)、靜電摻雜效應(yīng)或壓電效應(yīng)，而不是鐵電效應(yīng)�！� “要證明鐵電性對(duì)鐵磁性的作用（即鐵電—鐵磁多鐵耦合），磁性的‘非易失性’電學(xué)響應(yīng)是明確無誤的證據(jù)，而這一點(diǎn)此前在科學(xué)界尚未被報(bào)道�！� 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的多鐵磁電耦合 這項(xiàng)最新研究建立在該團(tuán)隊(duì)早期關(guān)于二維多鐵材料研究的基礎(chǔ)之上。Gong 從 2019 年開始（當(dāng)時(shí)他還是博士后研究員）便從理論上探索這些材料。 三年前，他在馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，展示了利用鐵電聚合物調(diào)控二維磁性材料的方法。在這項(xiàng)新研究中，Gong 和他的同事致力于實(shí)現(xiàn)二維鐵電體對(duì)二維磁體的控制。 Gong 表示： “我們近期研究的主要目標(biāo)是構(gòu)建由二維鐵磁體和二維鐵電體組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，并展示二維磁性的非易失性電學(xué)效應(yīng)。這是兩種鐵性序（鐵電性和鐵磁性）之間耦合的確鑿證據(jù)�！� 為了開展實(shí)驗(yàn)，研究人員首先通過機(jī)械剝離法制備了鐵電材料 CuCrP₂S₆ 和鐵磁材料 Fe₃GeTe₂ 的二維薄片。隨后，他們將這些薄片逐層堆疊，形成一個(gè)多鐵異質(zhì)結(jié)。 研究人員精心制備了該異質(zhì)結(jié)，確保兩種材料之間的界面保持潔凈。他們使用了不同厚度的二維磁性層，當(dāng)磁性層厚度小于 8 nm 時(shí)，成功在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了磁電耦合。 Gong 解釋道： “在低至 153 K 的溫度下，我們利用一種光學(xué)方法（即磁圓二色性）來探測(cè)二維 Fe₃GeTe₂ 在外加電壓作用下的磁性變化�！� “如果磁性的電學(xué)效應(yīng)是非易失性的，并且其開關(guān)電壓與二維鐵電體的矯頑電壓大致相等，這就構(gòu)成了多鐵磁電耦合建立的有力實(shí)驗(yàn)證據(jù)�！� 推動(dòng)低功耗器件的發(fā)展 通過新提出的工程策略，Gong 和他的同事成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維磁體磁性性質(zhì)的電學(xué)控制。值得注意的是，他們觀察到的效應(yīng)是可逆且非易失性的，這意味著該效應(yīng)可以通過實(shí)驗(yàn)切換，同時(shí)在斷電后仍然保持穩(wěn)定。 Gong 表示： “這是首次在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)驗(yàn)觀察到磁性的非易失性電學(xué)效應(yīng)，從而清楚地證明了多鐵耦合的存在�！� “雖然本工作中的演示仍然局限于低溫（153 K），但其清晰實(shí)現(xiàn)的非易失性功能預(yù)示著重要的器件應(yīng)用前景，包括非易失性存儲(chǔ)器和高能效自旋電子器件�！� Gong 及其同事的最新研究有望為新型低功耗器件的發(fā)展鋪平道路，包括存儲(chǔ)器元件、傳感器和邏輯電路。這些器件可以利用電場(chǎng)而不是電流來工作。 與此同時(shí)，研究人員計(jì)劃繼續(xù)探索實(shí)現(xiàn)低電壓開關(guān)和強(qiáng)磁電耦合的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)方案，并嘗試推動(dòng)這些結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備。 Publication details Shanchuan Liang et al, Interferroic magnetoelectric coupling at CuCrP2S6/Fe3GeTe2 van der Waals heterojunctions, Nature Electronics (2026). DOI: 10.1038/s41928-025-01461-8. |
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