近期，中国科学院合肥物质院强磁场科学中心低功耗量子材料研究团队与合肥工业大学、华南理工大学以及中国科学技术大学等研究团队合作，利用质子门电压调控技术在二维铁磁材料Cr1.2Te2中实现了室温下的铁磁-反铁磁相变。研究成果以“Room-temperature magnetic phase transition in an electrically tuned van der Waals ferromagnet”为题发表在物理期刊Physical Review Letters上，文章被选为编辑推荐论文。
在传统磁性器件中，磁化方向一般可以通过电流产生局域的磁场或者自旋转矩等方式来实现操控，这些方法不可避免地会产生焦耳热。近年来，人们尝试利用纯电场手段来操控磁化方向，从而实现磁调控。因此，实现低维磁性材料的电场调控是发展超紧凑、低功耗、非易失性自旋电子学器件的关键。对于二维巡游磁体系，电场调控磁性所面临的挑战是如何有效地调控巡游磁体系中的超高载流子浓度。该合作团队在前期研究中利用固态质子门电压调控技术实现了层状铁磁金属Fe5GeTe2的质子插层，从而大幅度地改变了体系的载流子浓度并实现了该材料低温下的磁相变[Nano Lett. 21, 5599-5605 (2021)]。然而，Fe5GeTe2纳米片中门电压可控的磁相变温度远低于室温，难以实用化。因此，寻找室温下具有矩形磁滞回线且易于调控的铁磁材料具有重大意义。
为此，该团队制备出了具有室温磁性的二维铁磁材料Cr1.2Te2单晶，通过机械剥离获得了不同厚度（12 nm~40 nm）的Cr1.2Te2纳米片。输运测量发现，Cr1.2Te2纳米片在室温下展示出了矩形磁滞回线，具有较高的实用价值。进一步研究发现，在T=200 K，Cr1.2Te2纳米片在固态质子门电压调控下其磁性呈现出非单调的演化规律，反常霍尔电阻率在电子型掺杂下先增大(-8 V≤Vg<0 V)再减小（Vg<-8 V）, 当门电压Vg=-14 V同时电子掺杂浓度达到3.8×1021 cm-3时，体系反常霍尔效应消失，表明该体系在电子掺杂下其磁基态发生了改变。当T=290 K时，研究人员发现Cr1.2Te2纳米片的铁磁性在质子插层下呈现出了相似的演变规律，即反常霍尔电阻率随着电子掺杂浓度的增加先增大再减小并最终消失，如下图所示。理论分析发现，Cr1.2Te2在质子插层下可实现电子掺杂，当掺杂浓度达到1021 cm-3量级时，磁基态可从铁磁转变为反铁磁，这与实验观测的现象一致。实现室温下磁性材料的电场调控有助于发展可实用化的自旋电子学器件。
合肥工业大学谈诚博士为论文的第一作者，华南理工大学廖继海博士为论文的共同第一作者。中国科学院合肥物质院强磁场中心郑国林研究员、中国科学技术大学向斌教授、华南理工大学赵宇军教授以及合肥工业大学王澜教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了得到了科技部、基金委和中国科学院合肥大科学中心协同创新培育基金等项目的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.166703
(左)器件示意图。（右）室温下Cr1.2Te2纳米片在固态质子门电压调控下的磁相变过程。