非易失性电场调控Fe3GaTe2异质结构室温铁磁性的突破性研究

本研究通过构建P(VDF-TrFE)/Fe3GaTe2多铁异质结构，首次实现室温下±90V电场对居里温度（TC）的双向调控（247K-366K），揭示层数依赖的磁电耦合竞争机制。结合DFT计算证实电场驱动的层间/层内磁交换耦合是调控核心，其非易失性磁态切换特性为低功耗自旋电子器件和神经网络计算提供新范式。

　　

在追求低功耗自旋电子器件的道路上，科学家们长期面临一个关键瓶颈：如何用微小能量实现磁性的精准调控？传统电流驱动方式需要高达10¹¹A/m²的电流密度，能耗高达10飞焦/比特，而基于磁电耦合的多铁材料仅需1阿焦能量即可实现等效操作，效率提升四个数量级。然而，单相二维多铁材料稀缺、室温铁磁性难觅、磁电耦合弱这"三座大山"一直阻碍着该领域发展。

来自中国的研究团队独辟蹊径，选择具有室温铁磁性（T_C≈350K）和垂直磁各向异性的二维材料Fe₃GaTe₂，与铁电聚合物P(VDF-TrFE)构建vdW异质结构。这项发表于《Nature Communications》的研究，通过精巧的界面工程设计，不仅突破室温调控限制，更发现厚度依赖的反常磁电响应规律——在≤3层时正电压升高T_C，而>3层时则呈现相反趋势，这一颠覆性发现为二维磁调控提供了全新物理视角。

研究团队采用机械剥离法制备Fe₃GaTe₂纳米片，通过原子力显微镜（AFM）精确控制厚度（2.4-35nm），旋涂25nm厚P(VDF-TrFE)铁电层形成异质结构。借助物理性质测量系统（PPMS）完成-90V至+90V极化电压下的反常霍尔效应测试，结合第一性原理计算解析电子浓度与磁耦合能量的定量关系。同步采用透射电镜（TEM）和压电力显微镜（PFM）表征界面结构与铁电性能，通过蒙特卡洛模拟预测居里温度变化趋势。

构造与表征

3GaTe₂晶体结构，右下角为局部放大视图）'>
交叉截面TEM显示P(VDF-TrFE)螺旋晶相与Fe₃GaTe₂形成原子级清洁界面，XRD测得c轴晶格参数17.85?，FTIR证实铁电层β相含量达65.9%。这种高质量界面为强磁电耦合奠定基础，PFM测试显示9.02μC/cm²的剩余极化强度，电场强度达MV/cm量级。

磁性的电压调控

在7.5nm厚Fe₃GaTe₂中，-90V极化使T_C从326K升至366K，+90V时则降至247K，调控幅度达24.2%。反常霍尔电阻（R_xy）在-90V时增强57.7%，矫顽场（H_c）提升至9500Oe（3K），且该效应在移除电压后仍持续，展现优异非易失性。

层数依赖的磁调控机制

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C的穹顶状分布规律'>
DFT计算揭示关键竞争机制：在单层模型中，电子浓度增加会强化层内交换耦合（J_intra↑）；而在块体模型中，电子浓度增加会削弱层间耦合（J_inter↓）。当厚度>4.8nm时，J_inter主导使正电压降低T_C；厚度≤2.4nm时J_intra主导则呈现相反规律。

非易失性模拟切换

基于16态存储特性构建的8层CNN网络，在CIFAR-10数据集实现>90%识别准确率。10nm厚P(VDF-TrFE)器件仅需15V工作电压，能耗低至1.125aJ/bit，较传统STT器件节能10⁴倍。

这项研究开创性地建立了二维铁磁/铁电界面耦合的普适性理论框架：通过精确调控电子浓度改变费米面附近的态密度（DOS），实现T_C的可逆操控。其揭示的"厚度-极化"协同调控规律，为设计室温低功耗磁存储器提供新思路。特别值得注意的是，氢离子界面杂交效应对自旋轨道矩的调制作用，为探索新型自旋器件开辟了道路。该工作将二维材料的研究维度从静态特性拓展到动态调控领域，标志着向实用化自旋电子器件迈出关键一步。