皇家墨尔本理工大学&成均馆大学Nat. Commun. ：纳米片范德华磁性材料Fe3GeTe2的硬磁性能

【引言】

自从机械剥离法成功分离单层石墨烯开始，二维（2D）范德华（vdW）材料受到了学术界相当的关注。这些材料揭示了新颖的光学和电子学特性。这些材料堆叠的异质结构含有更多有趣的特性。在过去的几年中，拉曼光谱和电子传输测量已经在vdW磁体上进行。最近，研究人员在两种绝缘vdW磁性材料Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃以及基于vdW铁磁异质结构的新型器件中成功发现了二维铁磁性。这项发现有助于设计和制造许多基于vdW磁体的器件。例如，将vdW铁磁金属材料与具有强自旋-轨道相互作用的vdW金属堆叠，可以用于设计制造自旋-轨道扭矩器件。然而，为了开发铁磁vdW材料作为基于vdW异质结构的自旋电子学的基础材料，具有硬磁相和高剩磁与饱和磁化（M_R/M_S）比的铁磁vdW金属是必不可少的。

本文研究了单晶FGT纳米薄片的异常霍尔效应，发现它们的磁性高度依赖于厚度。当厚度减小到小于200nm，形成硬磁相具有大的矫顽力和接近方形的滞后回线。本文提出了一个模型来描述FGT薄片的硬磁行为。这个模型适用于具有强垂直各向异性和方形磁环的其他vdW铁磁薄膜或纳米薄片。

【成果简介】

二维vdW材料是目前比较热门的研究领域，多项相关研究表明其具有出色的光学和电学特性。然而，目前有关vdW材料的磁性和其在自旋电子学应用的科研成果仍比较匮乏。近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Wang Lan（通讯作者）和韩国成均馆大学的Changgu Lee（通讯作者）等人研究了不同厚度的单晶金属Fe₃GeTe₂纳米片的反常霍尔效应测量。这些纳米薄片具有接近方形磁环的单一硬磁相，较大的矫顽力（在2K时，高达550mT），接近200K的居里温度和极强的垂直磁各向异性。通过临界性分析，Fe₃GeTe₂中vdW原子层之间的耦合范围约为5个vdW原子层。Fe₃GeTe₂的磁性能突出了其整合到vdW磁异质结构器件中的潜力，为基于这些器件的自旋电子学研究和应用铺平了道路。相关成果以“Hard magnetic properties in nanoflake van der Waals Fe₃GeTe₂”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1在2K温度，不同厚度的FGT纳米片的R_xy（B）图

（a）FGT单晶块体，尺寸L×W×T=1.8 mm×0.8 mm×0.3 mm，M_R/M_S=0.0715；

（b）329 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=44.4 μm×49.4 μm×329 nm，M_R/M_S=0.0807；

（c）191 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=14.7 μm×9.25 μm×191 nm，M_R/M_S =0.9757；

（d）82 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=10.3 μm×19.5 μm×82 nm，M_R/M_S =0.9839；

（e）49 nm的FGT器件，尺寸L×W×T=12.6 μm×13.1 μm×49 nm，M_R/M_S =0.9980；

（f）10.4nm的FGT器件，尺寸L×W×T=12.7 μm×8.79 μm×10.4 nm，M_R/M_S =0.9973。

图2 居里温度（T_C）的厚度依赖性图

居里温度（T_C）的厚度依赖性图。

 图3 10.4 nm厚度FGT器件的反常霍尔效应测量

（a）在2-140K的温度范围FGT纳米片的反常霍尔效应R_xy（B）曲线，显示出硬铁磁性质；

（b）在150到185K温度范围的R_xy（B）曲线；

（c）归一化R_xy（T）曲线和基于平均场理论J=1，J=∞和自旋波理论的三条拟合曲线；

（d）在2-150K内，矫顽力的温度依赖性关系图。

图4 角依赖霍尔效应测量和改进的Stoner-Wohlfarth模型图

（a，b）R_xy（B）在外加磁场与垂直于厚度为10.4nm的纳米片表面的方向之间以不同角度曲线图；

（c）在85℃，从-6到6T的范围内的标准化的R_xy（B）曲线；

（d）不同温度下，有效矫顽力的有效角度依赖性图；

（e）K_A（单位磁筹的磁各向异性能）和V（外磁场作用下首先翻转的磁筹体积）的温度依赖性图；

（f）Stoner-Wohlfarth模型中使用的变量的示意图；

（g）磁系统由亚稳态转变为非稳定态的示意图。

【小结】

本文研究发现FGT纳米薄片是vdW二维金属铁磁体，其矫顽力较大，M_R/M_S比值为1，含有相对较高的T_C和强的垂直各向异性。在基于vdW材料的巨磁电阻、隧穿磁阻和自旋轨道扭矩异质结构的各种vdW磁异质结构中，这种材料具有很好的研究价值。这一发现为未来基于范德华材料的异质结构的自旋电子学的研究铺平了道路。

【团队介绍】

皇家墨尔本理工大学王澜教授的团队于2015年末在澳大利亚墨尔本成立，团队现有副教授1人，博士后2人，博士生4人。团队领导王澜教授拥有新加坡国立大学和美国明尼苏达大学双博士学位，现任皇家墨尔本理工大学物理系副教授，澳大利亚研究委员会未来低能电子技术卓越中心（FLEET：ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies）纳米器件制造处主任。

团队目前主要研究方向是基于二维材料异质结，新奇量子材料，拓扑绝缘体的电子器件和自旋电子器件的电子输运测量。主要实验方法是生长单晶，薄膜，和纳米材料，并用二维材料机械剥离，二维材料堆叠，光刻，电子刻等方法制造基于这些材料的电子和自旋电子器件。目标是研究材料和器件物理，设计和制造下一代自旋电子原型器件。近几年的首要目标是实现基于二维材料异质结（铁磁绝缘体包夹拓扑绝缘体）的量子反常霍尔效应。

团队现有1台物性测量系统（PPMS,Quantum Design, Evercool,磁场±9T，温度1.8K，配自搭的测量系统进行各种电输运测量），基于手套箱（水，氧<0.1 ppm）和光学显微镜的超净二维材料异质结堆叠系统,旋涂仪，1套CVD材料生长系统和1台单晶生长管式炉等。学校公共实验室拥有光刻机，电子刻系统，等离子刻蚀系统，电子束蒸发镀膜系统，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，原子力显微镜等，可以便捷地进行各种材料表征测试和纳米电子器件制造。2018年年底前该实验室还会完成搭建1台磁性测量系统（MPMS，Quantum Design磁场±7T，温度1.8K，也可进行电子输运测量），1台超净二维材料异质结堆叠系统和2台磁控溅射系统。未来实验室还将搭建光电子能谱平台（资金已下达），磁光克尔效应光谱测量平台(MOKE)和光电流测量平台（光学平台已准备）。

王澜教授课题组现已获得澳大利亚研究委员会未来低能电子技术卓越中心和美国洛克希德马丁公司的资金支持。目前团队正致力于成为领域内世界领先的一流课题组，团队最近在《自然·通讯》上发文1篇，各项研究和实验室建设工作正在有条不紊进行，未来会有更多高水平科研成果出炉。

相关网站链接：https://www.fleet.org.au/blog/custom-nanoscale-structures-on-demand-rmit/

https://www.rmit.edu.au/contact/staff-contacts/academic-staff/w/wang-associate-professor-lan#collapseOne

文献链接：Hard magnetic properties in nanoflake van der Waals Fe₃GeTe₂（Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018- 04018-w）。

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