文章导读
二维磁性材料常被戏称为“实验室里的玩具”，因为尺寸太小、温度太低，一旦离开液氮环境就彻底失效，这直接堵死了下一代自旋电子器件的量产之路。你是否也以为突破瓶颈只能靠死磕材料本身？南京大学高力波课题组却反其道而行，通过一种“由高到低”的界面生长策略，让4英寸的CrTe2薄膜在室温下稳定表现出铁磁性。他们发现，真正决定磁性强弱的并非材料厚度，而是基底原子序数带来的近邻效应。这个被忽略的界面秘密，究竟是如何让居里温度瞬间跨越300K大关的？
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近日，南京大学物理学院高力波课题组在二维范德华铁磁异质结的界面工程研究中取得了进展，通过二维范德华异质结的“由高到低”生长策略，成功实现了4英寸、层数可控CrTe2基铁磁异质结的堆垛生长，实现了强自旋轨道耦合材料的界面耦合效应，将CrTe2的居里温度提升至室温。
二维范德华磁性材料为探索低维磁性和发展下一代自旋电子器件提供了理想平台。然而，现有二维磁性材料普遍面临样品尺寸小、层数不可控、居里温度低等问题，难以满足实际应用需求。这些二维磁性材料中，CrTe2因其本征的铁磁性和较强的磁各向异性而备受关注，但如何在大面积范围内实现对磁性，尤其是居里温度的有效调控，仍是亟待解决的关键科学问题。
高力波课题组利用此前提出的“由高到低”生长策略，突破了传统二维范德华异质结晶圆级制备的局限性。他们采用这种生长策略，成功制备了Gra（石墨烯）/CrTe2、MoS2/CrTe2、WTe2/CrTe2等多种异质结构（图1）。CrTe2层具有近乎完美的六方晶格结构，他们采用反射式磁圆二色性技术（RMCD）系统表征了所有CrTe2基异质结的磁性耦合行为，发现CrTe2的居里温度表现出强烈的层数和衬底依赖性。随着CrTe2层数从1层增厚到6层，居里温度持续提升并逐渐趋于饱和；而在相同CrTe2层数下，居里温度随基底材料的平均原子序数（Z）增加而单调升高，其中WTe2/6L（6层）CrTe2和PtTe2/6L CrTe2异质结的居里温度均达到300 K。该现象表明，基底材料的强自旋轨道耦合可通过近邻效应显著增强相邻CrTe2层的磁交换作用，进而有效提升其居里温度（图2）。
该工作不仅提供了一种高质量制备二维磁性异质结的普适性方法，还通过界面工程有效调控了二维磁性异质结的耦合强度，大幅提升了二维磁性材料的居里温度。这为未来二维自旋电子器件的理性设计提供了重要的实验依据和理论指导。
图1. (a) 采用“由高到低”策略，堆垛生长了单层MoS2/单层CrTe2的示意图；(b) 分别在MoS2、WS2、WTe2和PtTe2上生长4英寸6层CrTe2薄膜的照片；(c) Gra/CrTe2薄膜的STEM原子分辨图；(d) Gra/CrTe2薄膜中C、Te和Cr元素分布图；(e) Gra/CrTe2薄膜的能谱以及计算的元素比。
图2. (a) Gra/CrTe2、MoS2/CrTe2、WS2/CrTe2和WTe2/CrTe2的晶体结构示意图；(b) 6层CrTe2异质结在不同温度下随垂直磁场变化的RMCD曲线；(c) 2至6层CrTe2居里温度随基底材料原子序数的变化关系。
相关研究成果以“Enhancing Curie Temperature for CrTe2-containing Heterostructures via Interfacial Engineering”为题于3月11日在线发表在《Nano Letters》。该工作由南京大学高力波课题组完成。南京大学物理学院博士研究生付梓豪为论文的第一作者，南京大学高力波教授和周振佳博士后为论文的共同通讯作者。湖南大学材料学院张鑫博士在STEM测试中给予了大力帮助。该工作依托南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、江苏省物理科学中心、江苏省纳米技术重点实验室等平台，获得国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00077
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这进展真让人激动，室温磁性太期待了！