晶格畸变诱导二维范德华铁磁体产生磁性斯格明子的机制与拓扑霍尔效应研究

本研究针对二维范德华(vdW)铁磁体因中心对称结构无法形成磁性斯格明子(skyrmion)的难题，通过Co掺杂诱导Fe3GeTe2晶格畸变，打破对称性并产生Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，首次实现Néel型skyrmion的稳定存在及拓扑霍尔效应(THE)。该工作为vdW材料自旋电子学器件开发提供了新范式。

　　

在自旋电子学领域，磁性斯格明子(skyrmion)因其拓扑保护特性和纳米级尺寸，被视为下一代高密度存储器的理想载体。然而，二维范德华(vdW)铁磁体如Fe₃GeTe₂虽具有强垂直磁各向异性，却因本征中心对称结构无法产生形成skyrmion的关键相互作用——Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)。这一限制使得vdW材料在自旋器件应用遭遇瓶颈，亟需突破对称性约束的新方法。

为解决这一挑战，研究人员以Co掺杂Fe₃GeTe₂为模型体系，通过化学气相输运法(CVT)制备系列单晶样品。结合密度泛函理论(DFT)计算与实验表征，揭示Co取代导致Fe-Te八面体扭曲，使晶体结构从P6₃/mmc空间群转变为非中心对称的P3m1群。这种原子尺度的晶格畸变产生显著DMI，其矢量方向平行于Fe-Ge-Te层平面。借助洛伦兹透射电镜(LTEM)观察到直径约100 nm的Néel型skyrmion晶格，并通过磁输运测量检测到高达1.5 μΩ·cm的拓扑霍尔电阻率，远超同类材料报道值。

Structural analysis calculation
DFT计算表明，Co掺杂使Fe₃GeTe₂的晶格常数a轴收缩0.8%，c轴膨胀1.2%，Te原子位移达0.3 ?。X射线衍射(XRD)与原子分辨扫描透射电镜(STEM)证实这种畸变导致Fe-Fe原子间距差异扩大至5%，打破空间反演对称性。

Dzyaloshinskii-Moriya interaction and magnetic skyrmions
非对称结构产生DMI强度达1.5 meV，满足skyrmion形成条件。LTEM在30 K下观测到六方紧密排列的skyrmion晶格，其稳定性归因于DMI与垂直磁各向异性的平衡。

Discussion
该研究首次建立"掺杂-畸变-DMI-skyrmion"的完整调控链条，阐明晶格自由度与拓扑自旋态的关联机制。通过离子门压调控畸变程度，可进一步实现skyrmion密度与THE信号的动态控制，为开发可编程vdW自旋器件奠定基础。

这项发表于《Materials Today》的工作不仅拓展了二维磁体的物性调控维度，更开辟了通过化学掺杂设计拓扑自旋态的新途径，对发展超低能耗量子计算器件具有重要指导意义。