AM：双层石墨烯-CrOCl异质结构中非挥发态的磁电协同控制！！

北京大学陈剑豪，叶堉，中国人民大学季威，山西大学韩拯发表了题为“Magnetic-Electrical Synergetic Control of Non-Volatile States in Bilayer Graphene-CrOCl Heterostructures”的工作于Advanced Materials期刊上。

这篇文章报道了在双层石墨烯（BLG）与铬氧氯（CrOCl）异质结构中，通过磁电协同控制实现了非挥发性状态的调控。研究发现，CrOCl的自旋态对BLG的电荷转移和相关性增强的新兴性质有显著影响。通过精确的电容测量技术，观察到了异质结构中电荷状态的惊人迟滞行为，这种迟滞行为仅依赖于磁场调控过程，而与电学调控过程无关，并且可以通过电场调控来关闭，为非挥发性存储提供了新的机制。

研究背景

CrOCl作为一种低对称性的反铁磁绝缘体，在与范德瓦尔斯导电通道（如单层石墨烯SLG、双层石墨烯BLG和过渡金属二硫化物）接触时展现出了奇特的电荷转移和相关性增强的电荷转移性质。然而，CrOCl的自旋态对通道材料的影响尚不清楚。因此，本研究旨在通过精确测量BLG与CrOCl界面的态密度来解决这一问题。

研究思路

通过构建BLG-CrOCl异质结构，并利用高精密电容测量技术直接测量其态密度，以研究CrOCl的自旋态对BLG的影响。通过改变磁场和电场，研究异质结构中电荷状态的变化，从而揭示磁电协同控制非挥发性状态的机制。

实验流程细节

• 制备BLG/CrOCl异质结构：使用干法转移技术将高质量的BLG、CrOCl和h-BN片层转移到蓝宝石基底上。
• 电容测量：使用基于FHX35X高电子迁移率晶体管（HEMT）的低温电容桥测量BLG与石墨背栅之间的电容。
• 精确控制：通过调整AC激励VREF至标准电容器，获得输出电压的V形曲线，并通过反馈控制VREF保持电路平衡，从而测量样品电容。
• 数据分析：根据测量得到的电容数据，计算BLG的态密度，并分析其与CrOCl的磁相变之间的关系。

创新点

• 非挥发性状态的磁电协同控制：BLG-CrOCl异质结构在不同磁场调控过程下表现出明显的迟滞行为，这种迟滞行为仅与磁场调控过程相关，而与电学调控过程无关。这一点通过在不同磁场下测量的电容差异（ΔCDUT(3T)）得到了证实，其中ΔCDUT(3T)在某些区域不为零，表明存在由磁场调控过程控制的非挥发性充电状态。
• 磁场调控过程依赖的迟滞行为：通过改变磁场方向，揭示了非挥发性状态的存在。这种状态在正磁场极化（6T→3T）和零磁场极化（0T→3T）情况下表现出稳定性，且不受电学调控过程的影响。
• 磁相变对电荷转移的影响：第一性原理计算与实验数据相结合，揭示了CrOCl从反铁磁（AFM）到铁磁性（FiM）相变过程中，BLG和CrOCl之间的电荷转移受到磁场控制。实验中观察到的迟滞行为与CrOCl的磁相变一致，表明BLG中的电荷状态受到CrOCl磁序的调控。
• 温度依赖性研究：电容迟滞现象在大约12K开始出现，与CrOCl的Néel温度（13.5K）相一致，进一步证实了迟滞现象与CrOCl的磁相变相关。
• 电场调控下的非挥发性状态可逆性：通过改变背栅电压（VBG）在不同磁化状态下反复切换BLG-CrOCl异质结构，发现非挥发性充电状态在电场调控下可以被稳定地开启和关闭，展示了非挥发性存储的潜力。

结论

通过精确的电容测量技术，研究者们揭示了双层石墨烯-CrOCl异质结构中非挥发性状态的磁电协同控制机制。这种控制机制与CrOCl的反铁磁到铁磁性相变有关，为未来信息技术中数据存储和处理的新型范德瓦尔斯界面提供了新的非挥发性和跨参数控制途径。

图文

图1：双层石墨烯和CrOCl异质结构（BLG-CrOCl）及电容测量配置。a, b) 反铁磁绝缘体CrOCl的原子结构。c) CrOCl的低温磁结构。d) BLG-CrOCl的器件结构和电容测量电路。插图：BLG和CrOCl之间的电荷转移示意图。e) 在金属态和绝缘态下，单臂桥路的输出电压与参考电压的依赖性。

图2：BLG-CrOCl的量子电容和电容迟滞图。a) 在B⊥ = 3T和T = 2K下，电容的双栅图。虚线表示相图中常规部分（Conv.）和异常部分（Anom.）的边界。b) 在B⊥ = 3T和T = 2K下，电容迟滞（ΔC = CDUT(6T→3T) − CDUT(0T→3T)）的双栅图。图3a中标记位置的典型磁迟滞曲线。

图3：BLG-CrOCl的电容迟滞环和开关行为。a) 在图2b中标记位置的BLG-CrOCl在相反磁场扫描下的电容和反对称电容迟滞。b) 温度对图2b中位置③处电容迟滞的依赖性。温度范围从2K（棕色）到20K（绿色）。实线和虚线分别对应磁场上升和下降。插图：在B⊥ = 3T下最大电容迟滞随温度的变化。d) BLG-CrOCl的开关行为。在正场极化（6T→3T）和零场极化（0T→3T）情况下，BLG-CrOCl反复被切换进出迟滞区域。发现非挥发性充电状态（由两个蓝色虚线标记）对电学调控过程稳定。

图4：CrOCl的态密度和BLG-CrOCl异质结构的能带排列。a) 分别在AFM和FiM状态下，块状CrOCl的计算能带结构。零能量被定义为FiM状态下CrOCl的导带边缘。b) CrOCl导带的电子密度作为能量的函数，接近导带边缘的交叉点。c, d) 在图2a的相图的异常部分，BLG-CrOCl异质结构在电子传导和空穴传导下的能带排列示意图。e, f) 在图2a的相图的常规部分，BLG-CrOCl异质结构在电子传导和空穴传导下的能带排列示意图。在图4c-f中，面板中间的抛物线带（靠近垂直黑色虚线）代表BLG带，而位于BLG带左侧和右侧的其他带是CrOCl在AFM状态和FiM状态下的能带。对于(c,d)中的每个图，用红色和蓝色标记的填充带面积相同，意味着在AFM和FiM状态下，异质结构中的电子/空穴总数相等。(c,d)中的紫色和绿色线分别表示(b)中用紫色和绿色箭头标记的费米能级位置。

文献

Cao S., Zheng R., Wang C, et al. Magnetic-Electrical Synergetic Control of Non-Volatile States in Bilayer Graphene-CrOCl Heterostructures. Adv. Mater. 2024, 2411300.

doi: 10.1002/adma.202411300