铁磁/反铁磁范德华异质结中的交换偏置效应

一、研究背景

当铁磁（FM）材料紧邻反铁磁（AFM）材料放置时，FM磁矩通过交换耦合被AFM磁矩固定。除了FM/AFM界面外，还可以在其他类型的界面中观察到交换偏置（EB），例如亚铁磁材料等。通过确定磁化与磁场（M-H）对称磁滞回线的偏移，可以很容易地观察到此现象，该偏移会使磁滞回线相对于磁场不对称。这种效应被称为交换偏置，它具有巨大的技术重要性，形成了诸如硬盘驱动器、基于自旋扭矩传递的磁性随机存取存储器和磁性隧道结之类磁性器件的核心部分。发现具有EB的新磁性体系引起了人们的极大兴趣，这种交换相互作用已被证明是现代自旋电子技术中最重要的功能之一。

最近对2D自旋电子学的研究工作旨在开发一种有效的方式来生成，传输和检测基于2D vdW材料的自旋。在常规的FM/AFM异质结中，跨界面的强自旋相互作用是由直接交换相互作用介导的。但是，在vdW异质结中，vdW间隙的存在可能会抑制FM/AFM界面处的直接交换相互作用，这使得在磁性vdW系统中观察EB效应成为一项艰巨的任务。

二、工作简介

 有鉴于此，近日，韩国成均馆大学Changgu Lee教授团队报道了在FM（Fe3GeTe₂）/AFM（CrPS₄）vdW异质结构中，交换偏置（EB）效应能一直保持直到AFM的原子双层，但在单层极限下消失。鉴于CrPS₄是A型AFM，因此该双层是形成AFM的最小单元，该结果清楚地证明了EB的二维极限，对于有限的EB效应，只有一个反铁磁序单元就足够了。此外，AFM CrPS₄的半导体特性能够电学控制交换偏置，从而为自旋电子器件提供了高能效旋钮。文章以“Exchange bias effect in ferro-/antiferromagnetic van der Waals heterostructures”为题发表在著名期刊Nano Letters上。

图1.Fe₃GeTe₂（FGT）和CrPS₄（CPS）晶体的磁性表征和vdW FM/AFM异质结的制备。

最近，磁性2D晶体取得了许多进展，并且有望促进了针对EB效应的有效vdW FM/AFM异质结的实验实现。铁磁性Fe₃GeTe₂（FGT）由于其可调的居里温度（TC）和金属性能而引起了人们的极大兴趣，这对电子器件非常有利。FGT由两个非等价的Fe位点（Fe²⁺和Fe³⁺）组成（图1a），单层彼此之间很好地隔开，vdW距离约为0.3 nm。由于降低了晶体对称性，FGT表现出很强的磁晶各向异性，可将长程FM有序稳定到单层极限。而CrPS₄（CPS）则表现出具有强磁晶各向异性和A型AFM有序的半导体特性，其中自旋在z方向上具有层内FM对齐和层间AFM对齐（图1b）。因此，将FGT和CPS中相同的面外自旋方向与干净的vdW FM/AFM界面相结合，可以提供一个出色的平台来探索EB效应。

CPS和FGT块材晶体的磁化测量表明，CPS的Néel温度TN为~38 K，FGT的TC为~210 K（图1c和1d）。使用这些特性良好的FGT和CPS样品，随后在霍尔几何形状中制备了具有金属接触的FGT/CPS异质结，以研究EB效应。图1e给出了FGT/CPS界面的HRTEM图像，观察到干净的界面和晶格中相对紧密堆积的原子。

图2.在Fe₃GeTe₂/CrPS₄范德华异质结中，通过场冷却进行交换偏置操纵。

如图2a所示，通过反转磁场冷却过程中设定磁场的极性，可以反转FGT/CPS器件中EB场的极性。通过该测量，发现当冷却场（BFC）在+1 T和-1 T范围内变化时，交换偏置场（HEB）具有几乎相同~185 mT的偏移（图2b）。这些特征表明，样品中的EB源自磁场冷却过程中沿磁场方向的FM自旋对准，然后通过界面交换耦合在CPS中进行AFM自旋排序。换句话说，非零HEB是由界面处FM/AFM自旋磁矩之间的交换耦合引起的。这一结果为界面上AFM和FM自旋之间发生交换耦合提供了明确的证据。随着BFC的绝对值从0 T增加到1 T，矫顽力（HCOE）也单调增加，这可能是由于|BFC|增大而在FGT层中出现了较大的磁畴。 

图3.各种类型的AFM有序对铁/反铁磁异质结中交换偏置效应的影响。

通常，交换偏置效应强烈依赖于温度，因为FM和AFM磁矩之间的交换耦合仅存在于HEB消失的TB以下。接下来，为了研究AFM有序对EB的影响，对表现出不同有序性的四种AFM材料（CPS-Ising；FPS：Ising；NPS：XY和MPS：Heisenberg）在各种温度下进行了AH测量，如图3中所示。这些测量结果揭示了在FGT/CPS中存在EB效应的明确证据，FGT/FPS器件具有明显的温度依赖性。对于FGT/CPS，在T≥36.3 K时，RXY中的磁滞沿磁场轴保持对称，因此EB消失（图3a）。该结果表明，在36.3 K以上，跨界面FGT和CPS中磁矩之间的交换相互作用没有形成或被平均化。在T≤36.3 K时，磁滞回线的变化清晰可见，因此EB效应变得明显。此外，在FGT/FPS器件中测得的磁滞回线在FPS的TN~120 K以下显示出类似的EB效应（图3b）。值得一提的是，CPS和FPS都是Ising型磁体，其易磁化轴像FGT一样沿z轴。还发现，通过在场冷却过程中反转设定磁场的极性，可以反转EB场极性，证明在相同类型的磁性材料中，AFM和FM之间存在交换耦合。反之，在分别远低于和高于NPS（110 K）和MPS（78 K）的各自TN温度范围内，在FGT/NPS（图3c）和FGT/MPS（图3d）器件中未观察到EB效应。与FGT表现出Ising型有序不同，已知NPS和MPS分别具有XY和Heisenberg型有序。将NPS和MPS情况下EB效应的缺失归因于与FGT不同的顺序磁序，这导致FM和AFM自旋之间没有优选的单向自旋耦合。这些发现表明，具有相同自旋取向的FM和AFM层对于跨越vdW异质界面的有限EB效应至关重要。另一个有趣的观察结果表明，FGT/CPS和FGT/FPS异质结的阻塞温度TB~36.3 K和110 K，在EB消失后，非常接近CPS（TN~38 K）和FPS（TN~120 K）。TB和TN之间的这种密切关系表明，温度依赖性AFM有序是样品中EB效应温度依赖性变化的主要来源。

图4.FGT/CPS vdW异质结中交换偏置的电场控制。

为了进一步研究器件中的EB效应，利用了底层的AFM CPS，它是一种带隙为1.3 eV的n型半导体，可用于研究电场对电子的影响。图5a给出了在T=7.5 K时，不同栅压（VG）下的RXY迟滞。在VG=0 V时，观察到HEB为184 mT，在VG=-60 V时进一步增加到215 mT。相反，在VG=+60 V时，EB效应减小到零。这种电可调式HEB尤其重要，因为它可用于在没有磁场且电流可忽略不计的情况下设置或切换磁化强度，为磁性器件的低功耗操作提供了一种方案。还测量了各种VG值以及在7.5 K和43 K之间各种温度下的HEB，总结在图5b中。在-60 V<VG<40 V的范围内，HEB遵循布里渊型温度依赖性，并且对于VG=+60 V基本上为零。如图5c所示，除HEB外，还发现TB是电可调的并且随着栅压的增加而降低。由于FGT具有金属性，因此FGT中的电场效应可以忽略不计。因此，CPS在实现EB的电场控制中起着至关重要的作用。

为了进一步揭示FGT/CPS异质结中的电场效应，进行了密度泛函理论（DFT）计算，以模拟CPS中AFM有序的载流子密度依赖性。仿真结果表明，随着电子密度（n）降低，CPS中AFM有序增加，界面处电荷密度的变化自然会导致栅极诱导的EB调制。负VG会使电子远离界面，从而在界面附近产生减小的有效n。因此，负VG会增强AFM有序，进而增强HEB和TB。相反，在VG为正值时，HEB和TB的趋势完全相反，与实验观察结果一致。

三、总结与展望

本文证明了vdW FM/AFM异质结中的EB效应，发现交换偏置场会受到AFM中磁序的强烈影响。从AFM层的精确控制厚度观察到的交换偏置揭示了EB的最2D极限，在FM/AFM异质结中，仅需一个单元的AFM有序就能实现EB效应。因此，这项研究工作证明了vdW FM/AFM异质结中EB效应的AFM厚度极限，并且其电场可调性具有重要意义，为下一代自旋电子器件的小型化和低功耗运行提供了新的研究思路。

四、文献信息

文献名称：Exchange Bias Effect in Ferro-/Antiferromagnetic van der Waals Heterostructures （Nano Lett. 2020. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01176）

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01176