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范德华异质结构中的交换偏置

新加坡国立大学科学家在范德瓦尔斯CrCl3/Fe3GeTe2异质结构中发现了交换偏置现象。交换偏置现象在磁传感器和磁头中有很多应用,这在范德华异质结构中还没有报道。

交换偏置效应表现为磁滞回线相对于应用磁场向负或正方向的位移。这种机制通常归因于相邻反铁磁体(AF)对铁磁体(FM)的单向钉扎。因此,与没有这种单向钉扎的单一铁磁体(自由层)相比,适当设计的交换偏压AF/FM系统(钉扎层)具有更好的磁化方向和相对较高的开关场。因此,由一个固定和一个自由层组成的带有间隔的装置可以作为磁场方向和强度的传感器。该设备将有两种不同的存储状态(“1”和“0”),由自由层的磁化定义,平行或反平行于固定层。这种被称为自旋阀和磁隧道结的设备正广泛应用于存储介质、读出传感器和磁随机存取存储器等存储技术中。

交换偏置效应已经在广泛的AF/FM接口中被复制,例如广泛应用于商业读磁头的IrMn/NiFe金属双层膜。如果这些AF/FM双层系统是由表现出交换偏置效应的磁性范德华异质结构构成,这可能有利于器件接近原子薄尺寸和更灵活。

由新加坡国立大学物理系和高级二维材料中心的Andrew Wee教授领导的一个研究小组发现,在机械剥落的CrCl3/Fe3GeTe2中存在交换偏置效应,这是一种范德瓦尔斯异质结构。研究人员通过将CrCl3和Fe3GeTe2薄片转移到SiO2/Si衬底上,制造了一个测试装置。测试设备的偏置场的测量值超过50 mT(在2.5 K的温度下)。这与传统交换偏置AF/FM金属多层膜的报告值相当。此外,该偏压场具有很强的可调谐性,可以通过改变电场冷却过程和异质结构的厚度进行调节。该研究团队还提出了一个理论模型,解释了CrCl3的自旋构型在异质结构的交换偏置效应中起着至关重要的作用。

“我们的观察是非常重要的,因为它确认了交换偏置效应在二维范德瓦尔斯界面的存在,这解决了二维研究社区的一个关键问题,”Wee教授说。

这项工作是与中国西北工业大学的张文教授(曾是Wee教授小组的研究员)和中国东南大学的翟亚教授合作完成的。

接下来,该团队的目标是将这种异质结构整合到功能灵活的设备中,以大幅降低厚度和提高工作温度。

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