近日，物理学院王澜教授带领的低维磁性与自旋电子器件研究团队在范德瓦尔斯磁性晶体磁相变的电学调控研究中取得新进展，初步研究结果以“Room-Temperature Magnetic Phase Transition in an Electrically tuned van der Waals Ferromagnet”为题发表在物理学著名期刊Physical Review Letters上发表，并被选为“编辑推荐”(Editors’ Suggestion)论文。
图1该研究成果刊登在美国物理学会期刊Physical Review Letters上。
近年来兴起的二维材料为发展低能耗电子器件提供了新机遇，而寻找室温二维磁性材料并实现电学调控成为国际研究前沿。由于反铁磁材料远快于铁磁材料的超快磁动力学过程以及不易受外界磁场干扰的特性，基于反铁磁材料的自旋电子学成为当前研究热点，因而在二维磁性材料中实现室温电调控铁磁到反铁磁相变具有极其重要的意义。二维CraTeb材料表现出室温磁性以及室温近方形磁滞迴线，因此，该材料为研究室温下的电学调控室温磁性提供了理想平台，进而为设计室温自旋电子器件提供物理基础。合肥工业大学低维磁性与自旋电子器件研究团和其他国内外研究团队合作，在二维材料Cr1.2Te2中首次实现了室温电调控铁磁到反铁磁的磁相变，而且该体系铁磁态还具有室温近方形磁滞迴线，因此极具应用前景。
图2（a）显示了在250 K以上Cr1.2Te2薄片的反常霍尔效应（AHE）曲线。该曲线迴滞特性在320 K左右消失，证实了vdW Cr1.2Te2磁体具有高于室温的居里温度。进一步，利用Cr1.2Te2薄片构建了质子栅控原型器件，如图2（b）所示。在290 K时，该器件的反常霍尔效应对质子栅极电压Vg的依赖关系示于图2（c）中，反常霍尔电阻率首先增加，在Vg= -6.5 V时达到7.2 μΩ•cm，比不加电压时（~1.6 μΩ•cm）高4.5倍；继续加大Vg，霍尔电阻率急剧下降，在Vg= -10 V时消失，这表明Cr1.2Te2薄片铁磁性消失。图2（c）插图展示了空穴浓度随着栅极电压增加而降低，这表明Cr1.2Te2费米能级附近载流子浓度随着质子的注入而减少。图2（d）展示了Cr1.2Te2薄片矫顽力和R0/RS（剩余霍尔电阻率与磁场0.1 T时的比值）随着栅极电压的非单调变化关系。矫顽力首先降至36.5 Oe（相当于Vg= 0 V时矫顽力的27%），然后在Vg= -6.5 V时达到次峰值，最后在Vg= -8.5 V时降至42 Oe。R0/RS比值的变化与矫顽力演变趋势类似，在Vg= -3 V和-4.5 V时降至0.1左右，在其他栅极电压下保持在1左右。这一结果表明：在固态质子栅控Cr1.2Te2器件中可以实现电学调控的室温磁相变。为了澄清电压调控Cr1.2Te2磁相变机理，研究团队利用第一性原理计算对Cr1.2Te2磁构型、能带结构和反常霍尔电导率进行了计算，综合实验与理论计算结果，不同栅极电压下反常霍尔电阻率的变化不是源于磁化强度的变化，而是由电压诱导费米能级偏移导致的。这一研究工作为实现室温范德瓦尔斯材料磁特性的电压调控提供了新思路，为设计低功耗自旋电子器件奠定实验基础。
图2.（a）不同温度下的43-nm Cr1.2Te2纳米片反常霍尔效应曲线。（b）基于vdW磁体Cr1.2Te2的固态质子栅控器件示意图，其中Cr1.2Te2薄片位于固态质子导体上，Pt薄膜用作背栅电极。（c）在290 K下，不同栅极电压下的反常霍尔效应曲线。（d）Cr1.2Te2矫顽力和R0/RS电阻比随着栅极电压的变化关系。
合肥工业大学是论文的第一署名单位。合肥工业大学王澜教授、中国科学院强磁场科学中心郑国林研究员、中国科学技术大学向斌教授以及华南理工大学赵宇军教授为论文的共同通讯作者。该研究受到基金委面上项目、重点项目以及合肥工业大学人才引进条件建设经费等资助。