自旋电子学迎新成果，科学家在室温下实现范德华异质结的自旋注入

当前，最新的芯片技术已经接近原子尺度，采用先前的物理规律，很难进一步地缩小器件尺寸。面对尺寸效应带来的一系列问题，人们不得不从新材料和新物理中寻找突破口，以为下一代芯片做好准备。

想要在原子尺度研发芯片，就要从支撑芯片的材料开始，来探索新材料的物理性质。

其中，凭借在薄至单原子层（亚纳米）尺度之下仍能保持出色物理特性的优势，二维材料被视为下一代芯片的首选材料之一。而它真正地引起人们的广泛关注，是在发现单层石墨烯的科学家被授予 2010 年诺贝尔物理奖之后。随后十几年间，学界相继发现了其他二维材料，比如绝缘体、半导体、超导体和拓扑材料等。

由于范德华力的作用，当把不同的二维材料堆叠起来，就能形成一种异质结构—范德华（van der Waals）异质结，这种异质结也是一个研究新奇物理性质和概念验证的绝佳平台。

图| 芯片发展时间表（来源：Nature communications）

直到最近几年，人们才发现相比传统磁材料，二维绝缘体 Cr₂Ge₂Te₆、半导体（CrX₃）和金属 Fe_xGeTe₂（x=3-5）等二维磁性材料具有很多优势。

比如，只需一个原子层就能形成铁磁性，双原子层却能构成反铁磁材料的 CrX₃。而传统金属磁性材料由于其电屏蔽效应过强，导致很难实现栅极调控。

对于不少二维磁性材料来说，通过栅极调控不仅可以实现磁性的调控，还可以实现居里温度的巨大改变。该类材料还能带来近邻效应、转角堆叠等功能，故能提供较多的操控方式。

具体到应用场景上，二维金属磁性材料可被用作磁性隧道结、斯格明子和自旋轨道扭矩存储器器件，也能搭载在超快自旋电子学技术之中。

然而，目前大多数二维磁性材料的居里温度很低，一些器件的电子操作必须在低温下进行，这无疑给二维磁性材料的实际应用带来了巨大的障碍。

基于此，瑞典查尔姆斯理工大学博士后赵兵和所在团队开展了一项研究。期间，他们首次实现了室温下范德华异质结的自旋注入、输运和探测等动力学过程，并提出一种二维材料磁性或自旋纹理的全新探测方法，为自旋电子学领域带来了一项重要成果。

其有望加速基于二维磁性材料的实际应用,比如基于自旋的存储器、逻辑和神经形态计算体系结构的重要基本单元等。

图 | 赵兵（来源：赵兵）

日前，相关论文以《一种具有范德瓦尔斯铁磁体 Fe₅GeTe₂/ 石墨烯异质结构的室温自旋阀》（A Room-Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure）为题发表在 Advanced Materials 上[1]。

赵兵是第一作者，瑞典乌普萨拉大学比普拉布·萨业欧（Biplab Sanyal）教授和瑞典查尔姆斯理工大学萨罗伊 P.达什（Saroj P. Dash）教授担任共同通讯作者。

研究中，考虑到金属 Fe_xGeTe₂ 会随着 Fe 原子的富集浓度增加，其居里温度也会进一步提高。因此，该课题组携手合作者，合成了居里温度高达室温的 Fe₅GeTe₂。

进一步地，他们制作了 Fe₅GeTe₂/ 石墨烯异质结、以及横向自旋阀器件。室温之下的输运测试证明，在一系列自旋阀操作中，该类器件具备较好的鲁棒性，这为探测二维材料中磁性和多方向自旋极化提供了新思路。

同时，赵兵的合作者使用密度泛函理论，对 Fe₅GeTe₂/ 石墨烯异质结构的磁性加以研究，让实验结果得到了很好的支持。

图 | 器件示意图。室温之下，Fe₅GeTe₂/ 石墨烯范德华异质结可以实现自旋的注入、输运和探测（来源：Advanced Materials）

目前，基于对该类二维磁性材料的理解，课题组已经协同合作者，通过掺杂 Fe₅GeTe₂ 得到一系列的二维磁性材料，在材料性质上涵盖面内磁各向异性和垂直磁各向异性，在材料类型上则涵盖铁磁和反铁磁等，物理背景比较丰富。基于这些材料，该团队也将开展更深入的研究。

参考资料：

1.Zhao, B., Ngaloy, R., Ghosh, S., Ershadrad, S., Gupta, R., Ali, K., … & Dash, S. P. (2023). Room Temperature Spin‐Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure. Advanced Materials, 2209113.