研究背景
自從在原子薄的CrI3和Cr2Ge2Te6晶體中發現本徵2D鐵磁性以來，各種類型的範德華（vdW）2D鐵磁體（FMs）均已得到開發和研究。但是，大多數觀察到的2D FMs僅在低溫下具有長程有序，因此在找到新的室溫2D FMs之前，提高FMs的居裡溫度（TC）以滿足工業應用的要求至關重要。在這些方法中，鄰近耦合效應是一種提高FMs磁性能而無需任何外部能量消耗的有效方法。
成果介紹
有鑑於此，近日，華中科技大學韓俊波教授和葉鐳教授（共同通訊作者）等合作報導了通過與FePS3（FPS）耦合可以調控Fe3GeTe2（FGT）薄片的鐵磁性能。磁光Kerr效應結果表明，由於鄰近耦合效應，FGT的TC提高了30 K以上，矯頑場增加了≈100％，這改變了FGT在界面處的自旋織構。這項研究工作表明，反鐵磁體/鐵磁體耦合是一種設計2D鐵磁體磁性能的有前途方法，為高級磁性自旋電子器件和存儲器件的應用鋪平了道路。文章以「Proximity-Coupling-Induced Significant Enhancement of Coercive Field and Curie Temperature in 2D van der Waals Heterostructures」為題發表在頂級期刊Advanced Materials上。
圖文導讀
圖1. （a）vdW FGT和FPS薄片中的磁序。（b）FPS/FGT異質結的光學圖像。（c）異質結的AFM圖像。（d）異質結的拉曼光譜。（e）FGT和FPS單晶沿c軸的磁化率隨溫度的變化。（f）80 K下，FGT和FPS/FGT異質結的典型MOKE信號。
圖1a給出了由FGT和FPS組成的FPS/FGT異質結的示意圖，FGT具有鐵磁序，而FPS是具有層內和層間反鐵磁序的Ising型AFM。圖1b展示了FPS/FGT異質結（BHS-1）的典型光學圖像，其中一大塊薄FPS堆垛在FGT的表面上。如圖1c的AFM圖像所示，FGT和FPS的厚度分別為8.2 nm和6.3 nm。室溫下的拉曼信號表明，堆垛區域中的FGT和FPS層均與單個層相同，並且沒有觀察到其他新峰（圖1d）。圖1e顯示了FGT和FPS單晶溫度依賴的磁化率曲線，塊材FGT的本徵鐵磁性在低於230 K的溫度下持續存在，而FPS塊材晶體的反鐵磁-順磁相變發生在≈115 K處。對於此異質結中使用的薄FGT和FPS，分別通過MOKE和拉曼技術表徵了臨界溫度。圖1f給出了FPS/FGT異質結和FGT薄片在80 K下的典型MOKE曲線，其中兩個部分均可觀察到矩形磁滯回線。通過改變測量溫度，可以提取TC值。FPS/FGT的剩餘Kerr旋轉（θK）和HC值均比單個FGT大得多，這意味著FPS對FGT的磁性影響很大。
圖2. （a）FPS/FGT異質結MOKE測量的示意圖。（b）BHS-1中部分區域的MOKE成像。（c&d）溫度依賴的Kerr旋轉相對於磁場的比較。
為了評估FPS對FGT的調製效果，使用MOKE技術比較研究了FGT和FPS/FGT的磁性。圖2a顯示了MOKE系統以及FPS/FGT異質結的示意圖。為了獲得面外鐵磁性，使用了正常照射的633 nm雷射來檢測樣品的MOKE信號。圖2b顯示了在80 K下Kerr旋轉的空間成像，顯然FPS薄片未顯示MOKE信號，堆垛部分的Kerr強度比純FGT部分強得多，並且FPS/FGT或FGT區域內的θK值變化不大。FGT和FPS/FGT溫度相關的Kerr曲線如圖2c和d所示，可以觀察到幾個顯著差異。首先，FPS/FGT的θK約為純FGT的三倍，而FPS/FGT的相應HC幾乎是純FGT的兩倍。然後，隨著溫度升高，純FGT的磁滯回線收縮並在≈120 K時消失，而FPS/FGT直到160 K仍然存在。最後，純FGT的θK在150 K時降至零，FPS/FGT在180 K時降至零。綜上，在FPS/FGT中觀察到了θK，HC和TC的顯著增強。
圖3. （a）80 K下，MOKE信號相對於磁場的比較。（b）在不同外部磁場下，FPS/FGT界面周圍FGT和FPS層的磁疇。（c）Kerr旋轉與溫度的關係。（d）HC與溫度的關係。
為了確定FPS和FGT之間的耦合機制，研究了FGT和FPS/FGT的磁疇特徵，如圖3所示。圖3a顯示了在80 K下獲得的FGT和FPS/FGT的MOKE信號，FPS/FGT的磁滯回線顯示出比純FGT更為複雜的結構。當FPS和FGT耦合在一起時，會發生多種磁態和交換偏置，FGT中的自旋織構會通過鄰近耦合受到FPS的顯著影響。為了解釋這種現象，圖3b給出了FGT和FPS在界面處的磁疇取向以及由鄰近耦合效應引起的交換偏置。與在磁滯回線中只有兩個穩定磁態的純FGT不同，FPS/FGT異質結表現出四個典型的磁態。對於狀態1和3，FGT中的磁疇壁在飽和磁場下消失。而對於狀態2和4，FGT中某些磁疇的方向與外部磁場平行，而其他磁疇由於鄰近耦合引起的釘扎效應而固定在FPS中的磁疇上，從而導致MOKE信號發生彎曲。與在FGT/FPS和FGT/CrPS4系統中觀察到的單位移磁滯回線不同，此處的曲線顯示出雙位移磁滯回線，這是交換偏置效應的明顯證據。圖3c給出了FGT和FPS/FGT的θK與溫度的關係。對於FGT，擬合的TC≈150 K，而對於FPS/FGT，則≈180 K。圖3d顯示了該樣品兩部分的HC與溫度的關係，當FPS堆垛到FGT上時，θK和HC表現出顯著增強。以上結果提供了一種有效的方法來獲得具有較高TC值的2D材料用於磁性自旋電子器件，並有助於理解2D FM和AFM之間的鄰近耦合物理學。
圖4. （a）80 K下，純FGT和FPS/FGT/FPS異質結的MOKE信號相對於磁場的比較。（b）在三種典型的磁性狀態下，FPS/FGT/FPS的磁疇。（c）Kerr旋轉與溫度的關係。（d）HC與溫度的關係。
為了進一步研究雙界面系統中的鄰近效應，製備了FPS/FGT/FPS異質結，並通過MOKE測量研究了磁性。與純FGT相比，FPS/FGT/FPS的TC提高了≈35 K，HC也得到了顯著提高。圖4a顯示了80 K下純FGT和FPS/FGT/FPS的MOKE信號相對於磁場的比較。與圖3的結果相似，由於交換偏置效應，磁滯回線也顯示出雙位移曲線。得益於FPS/FGT/FPS中的雙界面和較厚的FPS層，交換偏置和磁態比FPS/FGT明顯得多。FPS/FGT/FPS的Kerr旋轉趨勢與純FGT完全不同。圖4c和d給出了FGT和FPS/FGT/FPS的Kerr旋轉和HC與溫度的關係。FPS/FGT/FPS的HC在大多數溫度下也比FGT高兩倍，並且TC和HC增強以及多種磁態具有普遍性。
總結與展望
本文展示了一種通過FPS與FGT的鄰近耦合來增強2D FGT鐵磁性的有效方法。通過構建FPS/FGT和FPS/FGT/FPS異質結，FGT的TC在FPS/FGT中提高了30 K，在FPS/FGT/FPS中提高了35 K，而HC值幾乎翻了一番。此外，在FPS/FGT和FPS/FGT/FPS中已觀察到交換偏置和多種磁態，這提供了一種方法來了解界面處FPS對FGT中磁疇的調控。本文的研究工作表明，AFM-FM耦合是在不消耗任何外部能量的情況下增強鐵磁性的有效方法，並且還提供了一種通過鄰近耦合效應來探索磁體磁疇動力學的方法。
文獻信息
Proximity‐Coupling‐Induced Significant Enhancement of Coercive Field and Curie Temperature in 2D van der Waals Heterostructures
(Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202002032)
文獻連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002032
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