钴/分子界面诱导磁性的动力学机制及其在自旋电子器件中的应用潜力

为解决铁磁金属/有机分子界面磁性调控机制不明确的问题，研究人员通过超快时间分辨磁光光谱（TR-MOKE）系统研究了钴/分子异质结的磁动力学特性。发现界面处存在高度各向异性的磁性层，其产生的伪交换偏置（PEB）效应使自旋波频率在低温下显著硬化至20-30GHz。该研究揭示了分子化学吸附对界面磁性的关键调控作用，为分子自旋电子器件设计提供了新思路。

　　

在自旋电子器件研发领域，铁磁金属与有机分子的界面磁性调控一直存在关键科学难题。传统研究多聚焦静态磁化特性，但对界面处微观磁动力学过程的认识仍不清晰。特别是当钴（Co）等铁磁体与富勒烯（C₆₀）、酞菁（MPc）等分子结合时，界面d-p轨道杂化会显著改变磁性，但具体机制尚未阐明。

为破解这一难题，研究人员采用超快时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）技术，对四种不同几何结构的钴/分子异质结（包括球形C₆₀、平面型铜酞菁CuPc/钴酞菁CoPc、不对称三(8-羟基喹啉)镓Gaq₃）开展系统研究。通过飞秒激光激发相干自旋波，结合变温（50-300K）变磁场（0-2T）测量，首次揭示了界面处存在独特的磁性动力学特征。这项突破性成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

关键技术包括：1）制备Pt(5nm)/Co(5nm)/分子层(20nm)/Cu(5nm)异质结；2）时间分辨磁光克尔光谱（TR-MOKE）探测自旋波动力学；3）结合静态磁化测量与动态模型拟合分析界面磁性参数。

实验结果

界面磁性的普适性特征

所有分子体系在低于200K时均出现自旋波频率硬化现象（从3GHz升至25GHz），伴随振荡信号符号反转。场依赖测量显示有效面内交换偏置场达0.6T，表明存在与分子几何无关的共性界面机制。

动态磁化模型解析

通过建立界面磁性层（IML）耦合模型，发现杂化诱导的强各向异性（K_hym₀=14.6T）会产生伪交换偏置（PEB）效应。该效应不同于传统交换偏置，会随主体磁化反转而动态调整。

分子特异性影响

虽然不同分子体系均表现相似低温效应，但芳香环的π轨道杂化被认为是关键因素。值得注意的是，自然氧化的钴膜仅产生较弱硬化（10GHz），证实分子化学吸附是主要诱因。

结论与展望

这项研究首次通过超快磁动力学探测，揭示了钴/分子界面处存在强各向异性的磁性层。其产生的PEB效应可显著增强自旋波频率，为理解界面磁性调控提供了新视角。特别是发现200K以下的界面磁有序转变与分子几何无关，暗示可能存在长程关联效应。该成果不仅深化了对d-p杂化体系的认识，更为开发可调控的分子自旋电子器件（如高频自旋波器件、磁存储器等）奠定了理论基础。未来通过精确设计分子结构及界面化学环境，有望实现更高效的磁性调控策略。