二维范德华异质结构Fe3GaTe2/NiPS3中温度鲁棒性交换偏置与自旋轨道转矩翻转的突破性研究

本文揭示了Fe3GaTe2/NiPS3范德华（vdW）异质结构中温度鲁棒性交换偏置（EB）和自旋轨道转矩（SOT）驱动的磁化翻转机制。研究发现该异质结构在150K以下表现出高达110mT的交换偏置场（HEB），并通过堆叠方向调控实现极性反转，同时室温下仍保持显著反常霍尔效应（AHE）。这一成果为开发新型二维自旋电子器件提供了关键材料平台。

　　

1 引言

传统纳米材料性能优化方法常伴随结构缺陷，而范德华（vdW）界面相互作用为二维材料提供了非破坏性调控途径。Fe₃GaTe₂作为新型vdW铁磁体，具有340-380K的居里温度（T_C）和显著垂直磁各向异性（PMA）；NiPS₃则是具有zigzag反铁磁序的vdW材料，奈尔温度（T_N）为150-159K。本研究通过构建Fe₃GaTe₂/NiPS₃异质结构，首次实现了兼具高H_EB和温度依赖性极性反转的交换偏置效应。

2 结果与讨论

材料表征：通过化学气相传输法（CVT）和自熔技术制备单晶，X射线衍射（XRD）和能量色散X射线谱（EDX）证实材料纯度。原子力显微镜（AFM）显示异质结构界面高度差为28.17nm（Fe₃GaTe₂）和20.13nm（NiPS₃），高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示原子级锐利界面。拉曼光谱中Fe₃GaTe₂的A_1g峰左移8-10cm^-1，证实vdW界面相互作用。

电输运特性：反常霍尔效应（AHE）测量显示，在1.5T冷却场下H_EB达110mT，矫顽场（H_c）达0.9T（5K）。温度升至150K时H_EB消失，但AHE持续至300K。电流依赖性实验表明，0.2μA电流即可诱导55mT的H_EB，1μA时增至100mT。

自旋动力学：自旋轨道转矩（SOT）测量显示，±0.1T磁场下仅需0.207μA电流即可实现磁化翻转。温度升高时临界电流降低，归因于Fe₃GaTe₂的拓扑电子态增强自旋-电荷转换效率。

磁光效应：磁光克尔效应（MOKE）证实非局域EB效应，20×和50×激光检测器分别观测到相反极性的磁滞回线。三种器件构型（Fe₃GaTe₂在上/在下）均显示H_EB可达110Oe，磁性原子力显微镜（MFM）揭示Fe₃GaTe₂的单一磁畴结构是EB传播的关键。

3 机制阐释

界面电荷转移诱导NiPS₃从反铁磁（AFM）转变为亚铁磁（FIM）态。高冷却场（H_cool）下形成↑↑/↓↓自旋构型产生负EB，升温后转变为↑↑/↑↑构型导致极性反转。这种独特的温度依赖性源于Fe₃GaTe₂磁畴与NiPS₃自旋序的竞争耦合。

4 材料与方法

单晶生长采用CVT法（NiPS₃）和自熔法（Fe₃GaTe₂）。器件通过机械剥离法制备，电极采用Cr/Au（10/60nm）热蒸发沉积。测量系统包含9T物性测量系统（PPMS）、635nm激光MOKE系统和共聚焦拉曼光谱仪。

5 结论

该研究创纪录地实现了110mT的H_EB（较同类vdW异质结构提高4-5倍）和900mT的AHE场（提高7-8倍），其150K的阻塞温度（T_b）和室温SOT切换能力，为开发基于二维磁体的自旋逻辑器件（如磁电自旋轨道逻辑MESO）奠定基础。