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二维材料中磁性的电学控制有望推动自旋电子学的发展
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二维材料中磁性的电学控制有望推动自旋电子学的发展 传统电子器件通过利用电子的电荷来处理信息。在过去几十年中，一些电子工程师一直在探索另一类器件的潜力，这类器件通过利用电子的内禀磁矩（即自旋）来处理和存储数据。 这些器件被称为自旋电子学（spintronics）器件，与当前电子器件相比，它们可能消耗更少能量、处理数据更快，并且更容易实现小型化。对于致力于开发自旋电子器件的工程师来说，一个核心目标是寻找能够在不浪费能量的情况下控制器件磁性的有效策略。 一种有前景的磁性控制方法是使用多铁材料（multiferroics）。这类材料同时具有铁电性和铁磁性：铁电性意味着材料中的正负电荷能够永久分离，而铁磁性则意味着材料中的磁矩能够保持有序排列。当其中一种性质能够用来控制另一种性质时，这种现象被称为磁电耦合（magnetoelectric coupling）。 来自马里兰大学（UMD）及其他研究机构的研究人员最近在一种范德华异质结构中实现了磁电耦合。该结构由原子级厚度的材料层堆叠而成，这些层之间通过较弱的范德华力结合在一起。他们发表在《Nature Electronics》上的论文报道了在二维材料中对磁性的稳定且可逆的电学控制。 论文通讯作者 Cheng Gong 在接受 Phys.org 采访时表示： “据我所知，这项工作首次在实验上证明了二维铁电材料可以控制二维磁性。” “近年来，类似的由二维铁电体和二维磁体组成的异质结构也被研究过，但这些工作没有展示磁性的‘非易失性’电学控制。磁性中的易失性电效应可能来源于简单的电场效应、静电掺杂效应或压电效应，而不是铁电效应。” “要证明铁电性对铁磁性的作用（即铁电—铁磁多铁耦合），磁性的‘非易失性’电学响应是明确无误的证据，而这一点此前在科学界尚未被报道。” 范德华异质结构中的多铁磁电耦合 这项最新研究建立在该团队早期关于二维多铁材料研究的基础之上。Gong 从 2019 年开始（当时他还是博士后研究员）便从理论上探索这些材料。 三年前，他在马里兰大学的研究团队发表论文，展示了利用铁电聚合物调控二维磁性材料的方法。在这项新研究中，Gong 和他的同事致力于实现二维铁电体对二维磁体的控制。 Gong 表示： “我们近期研究的主要目标是构建由二维铁磁体和二维铁电体组成的异质双层结构，并展示二维磁性的非易失性电学效应。这是两种铁性序（铁电性和铁磁性）之间耦合的确凿证据。” 为了开展实验，研究人员首先通过机械剥离法制备了铁电材料 CuCrP₂S₆ 和铁磁材料 Fe₃GeTe₂ 的二维薄片。随后，他们将这些薄片逐层堆叠，形成一个多铁异质结。 研究人员精心制备了该异质结，确保两种材料之间的界面保持洁净。他们使用了不同厚度的二维磁性层，当磁性层厚度小于 8 nm 时，成功在异质结构中实现了磁电耦合。 Gong 解释道： “在低至 153 K 的温度下，我们利用一种光学方法（即磁圆二色性）来探测二维 Fe₃GeTe₂ 在外加电压作用下的磁性变化。” “如果磁性的电学效应是非易失性的，并且其开关电压与二维铁电体的矫顽电压大致相等，这就构成了多铁磁电耦合建立的有力实验证据。” 推动低功耗器件的发展 通过新提出的工程策略，Gong 和他的同事成功实现了对二维磁体磁性性质的电学控制。值得注意的是，他们观察到的效应是可逆且非易失性的，这意味着该效应可以通过实验切换，同时在断电后仍然保持稳定。 Gong 表示： “这是首次在二维异质结构中实验观察到磁性的非易失性电学效应，从而清楚地证明了多铁耦合的存在。” “虽然本工作中的演示仍然局限于低温（153 K），但其清晰实现的非易失性功能预示着重要的器件应用前景，包括非易失性存储器和高能效自旋电子器件。” Gong 及其同事的最新研究有望为新型低功耗器件的发展铺平道路，包括存储器元件、传感器和逻辑电路。这些器件可以利用电场而不是电流来工作。 与此同时，研究人员计划继续探索实现低电压开关和强磁电耦合的二维异质结构方案，并尝试推动这些结构的大规模制备。 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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