近日，西安交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在二維范德華多鐵異質(zhì)結(jié)實(shí)驗(yàn)研究中取得重要突破。研究人員在Fe3GaTe2/CuInP2S6多鐵異質(zhì)結(jié)中，率先在室溫下實(shí)現(xiàn)了顯著的鐵磁性的非易失電場(chǎng)調(diào)控。該成果通過宏觀電學(xué)測(cè)試和微觀磁疇成像多維驗(yàn)證了鐵電極化對(duì)磁疇的調(diào)控效應(yīng)，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和微磁模擬，揭示了鐵電極化打破反演對(duì)稱性，誘導(dǎo)Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），進(jìn)而調(diào)控磁性的核心機(jī)制。

該成果以《室溫條件下范德華多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中鐵磁性的非易失性電場(chǎng)調(diào)控》（Nonvolatile Electric Control of Ferromagnetism in Van Der Waals Multiferroic Heterostructures at Room Temperature）為題，5月28日在線發(fā)表于國際材料領(lǐng)域知名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士研究生趙含章為論文第一作者，閔泰教授與李桃教授為共同通訊作者。

在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)磁性的電場(chǎng)調(diào)控是降低器件能耗的核心策略之一。近年來，理論上預(yù)言了多種二維范德華多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)具備磁電耦合潛力，但是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍極度匱乏，并且由于大多二維磁性材料居里溫度低、環(huán)境穩(wěn)定性差等問題，在室溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)、非易失的電控磁行為仍面臨巨大挑戰(zhàn)。本研究構(gòu)建的FeGaTe/CuInPS范德華異質(zhì)結(jié)，依托新型二維鐵磁材料Fe3GaTe2的室溫磁性及其與CuInP2S6的層間耦合特性，在常溫大氣環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、顯著的非易失電場(chǎng)調(diào)控磁性翻轉(zhuǎn)，為二維磁電調(diào)控器件的實(shí)用化邁出了關(guān)鍵一步。

（a）器件的磁滯回線隨極化電壓的變化趨勢(shì)；

（b）Fe3GaTe2/CuInP2S6異質(zhì)結(jié)中磁疇隨外磁場(chǎng)的演變；

（c）第一性原理計(jì)算CuInP2S6不同極化狀態(tài)下Fe3GaTe2的Fe原子磁矩、各向異性能和DMI系數(shù)；

（d）第一性原理計(jì)算的界面電荷轉(zhuǎn)移，是導(dǎo)致Fe3GaTe2對(duì)稱性破缺的主要因素；

（e）微磁模擬復(fù)現(xiàn)霍爾測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

團(tuán)隊(duì)圍繞該異質(zhì)結(jié)從多個(gè)尺度開展了系統(tǒng)研究。通過霍爾測(cè)試顯示出磁滯回線隨極化電壓的顯著變化，表明磁性狀態(tài)可被穩(wěn)定調(diào)控；以磁力顯微鏡成像清晰捕捉了磁疇在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度作用下的動(dòng)態(tài)演化過程；通過第一性原理計(jì)算揭示了極化態(tài)誘導(dǎo)的界面DMI增強(qiáng)效應(yīng)；結(jié)合微磁模擬復(fù)現(xiàn)了霍爾測(cè)試中觀察到的磁化翻轉(zhuǎn)行為。研究表明，電極化驅(qū)動(dòng)的界面DMI調(diào)控機(jī)制能夠降低磁疇壁形成能、促進(jìn)磁疇的非協(xié)同（non-coherent）翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鐵磁性的非易失調(diào)控。本項(xiàng)研究不僅實(shí)現(xiàn)了全二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)在室溫下的磁電耦合調(diào)控，還在理論機(jī)制與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)之間構(gòu)建了高度一致的物理圖像，為后續(xù)自旋電子器件的功能設(shè)計(jì)與材料開發(fā)提供了參考，使其在低功耗存算器件、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)調(diào)控等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。