通讯作者：吴曙翔、孟梦、叶全林

发表期刊：Nature Communications

期刊 Impact Factor: 14.7 （JCR 一区）

通讯单位：中山大学、中国科学院物理研究所、杭州师范大学

论文网址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54936-1

成果简介：

探索二维铁磁体在厚度极限下的长程磁有序，对于推进基础物理研究和开发低能耗操控磁化的新型磁性和自旋电子学器件具有重要意义。在三维系统中，磁性主要受交换作用影响，从而在有限温度下实现磁相变。在二维海森堡模型中，由于Mermin–Wagner定理的限制，热涨落显著抑制了二维铁磁长程磁有序的形成。然而，二维铁磁体中的磁晶各向异性能可打开较大的自旋波激发能隙，从而有效抑制热涨落，并促进二维铁磁性在有限温度下的出现。在块状晶体中观察到的室温长程铁磁有序是否能在几个单胞层(unit cell, u.c.)或1 u.c.薄膜中保持仍然是一个悬而未决的问题，因为高温下的热涨落可能轻易破坏二维铁磁有序。因此，在厚度极限下保持铁磁材料的长程铁磁有序与强磁各向异性能密切相关。迄今大多数报道的二维铁磁体表现出低的居里温度和较低的磁各向异性能。此外，目前大多数二维铁磁材料均为从块状单晶剥离的薄片，导致其厚度和尺寸难以控制，阻碍了其在自旋电子学中的深入研究和实际应用。因此，探索出具有本征铁磁性、高于室温的居里温度、强磁各向异性能以及与传统微电子器件兼容的晶圆级二维铁磁材料显得尤为紧迫。

我校物理学院量子物质调控杭州市重点实验室叶全林教授和硕士生邓博与中山大学吴曙翔副教授和中国科学院物理研究所孟梦副研究员合作通过分子束外延（MBE）成功制备了单胞层数可控的晶圆级二维铁磁体Fe₃GaTe₂薄膜。外延生长的Fe₃GaTe₂薄膜展现出居里温度远高于室温的强铁磁性和强垂直磁各向异性。9 u.c.外延薄膜的居里温度高达420 K且在300 K时垂直磁各向异性能比目前广泛应用的CoFeB薄膜还高数倍。此外，当外延薄膜厚度降到极限时， 1 u.c.薄膜的铁磁有序依然得以保持，其居里温度可达345 K，这得益于其较强的垂直磁各向异性能。在相同厚度下，外延薄膜的居里温度要比机械剥离的Fe₃GaTe₂薄片高60 K以上，这可能归因于衬底所引起的拉伸应变效应。第一性原理计算发现，外延Fe₃GaTe₂薄膜中铁磁性增强除了源于应力提升了磁交换耦合外，还与应力增强了其磁各向异性能有关，因为较强的磁各向异性能可通过抑制热涨落稳定铁磁性且避免长程铁磁有序被破坏。晶圆级室温二维铁磁材料的成功制备，标志着磁性材料科学领域的一项重要进展，为基于二维磁体的自旋电子学器件的发展奠定了坚实的基础。

研究结果发表于Nature Communications 15, 10765 (2024)。中山大学吴曙翔副教授、中科院物理所孟梦副研究员和杭州师范大学叶全林教授为论文共同通讯作者。