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[转载]FOP | 前沿研究：室温附近的神奇磁现象：部分氧化Fe3GaTe2中的交换偏置效应

已有 169 次阅读 2025-6-12 14:16 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

随着电子存储技术对高密度、低功耗器件的持续需求，稳定的数据写入与读取机制成为关键技术瓶颈。交换偏置效应作为一种增强磁性层稳定性与信号识别度的重要机制，近年来引发广泛关注。中山大学别亚青团队近日在Frontiers of Physics (Beijing)期刊发表研究成果，报道了在近室温下部分氧化 Fe₃GaTe₂中观察到的稳定交换偏置行为。

【研究背景】：交换偏置的重要性与挑战

传统的硬盘驱动器等存储设备，为了稳定存储层、提高数据读取的准确性，常常利用交换偏置这一特性。实现交换偏置通常依赖铁磁与反铁磁界面间的自旋钉扎效应。尽管近年来在多种二维范德华异质结构中观察到该效应，但其阻塞温度普遍低于80 K，限制了其在室温自旋电子学器件中的实际应用。如何在原子层厚度尺度下稳定形成高阻塞温度的交换偏置效应，是该领域面临的核心挑战。

【实验方法】：巧妙探测&精准分析

本研究选用自熔法生长出来的Fe₃GaTe₂晶体。研究人员把晶体薄片剥离到特定的基底上，用原子力显微镜测量薄片厚度。在探测交换偏置行为时，采用了反射磁圆二色性（RMCD）方法。它通过检测左旋和右旋圆偏振光吸收的差异，间接获取材料的磁矩信息，为研究提供了关键数据。这种光学探测手段具有非接触、非破坏、对空气敏感样品友好的优势，可有效揭示磁滞行为和温度依赖性，为后续模型建立提供定量支撑。

【实验结果与讨论】：揭示氧化 Fe₃GaTe₂磁奥秘

研究人员发现，Fe₃GaTe₂薄片在空气中很容易被氧化。不过，氧化并没有严重破坏其原有晶格结构。从RMCD测量得到的磁滞回线可以看出，交换偏置场 H_EB和矫顽场H_c都会随着温度的升高而减小，而且 H_EB 还会随着薄片厚度的增加而变小。特别地，对于82 nm厚的样品，阻塞温度可达280 K，远高于此前范德华异质结构中的报道值。

为了弄清交换偏置行为的内在机制，研究人员多次实验发现，充分氧化后的 Fe₃GaTe₂呈现出反铁磁特征。

基于这些实验结果和理论计算，研究人员提出了一个模型。在这个模型里，部分氧化的 Fe₃GaTe₂起着关键作用，它包含完全氧化层、部分氧化钉扎层和原始铁磁层。部分氧化层的存在，让铁磁耦合和反铁磁耦合在完全氧化层和部分氧化层之间共存。在较小的磁场扫描时，钉扎层和铁磁界面的相互作用就会产生交换偏置；但当磁场扫描范围变大，钉扎层会完全反转，交换偏置也就消失了。多轮RMCD测量显示，交换偏置在130 K下具有较好重复性，但在280 K附近则出现漂移，可能与钉扎层中界面自旋的不稳定性或热涨落相关。

【研究结论】：开启自旋电子学新应用

本研究在表面氧化的 Fe₃GaTe₂范德华材料中实现了接近室温的稳定交换偏置，突破了二维材料中低阻塞温度的瓶颈。通过理论计算与RMCD和TEM的协同分析，作者首次揭示了氧化诱导钉扎机制的微观来源。该成果为构建无需异质结构的高温磁钉扎方案提供了全新路径，并为范德华自旋电子学器件的低维化与实际应用开辟了广阔前景。