复旦大学解密二维磁性材料之堆叠与磁耦合间关联

近年来，新兴的二维磁性材料备受瞩目。相比于传统的三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制之前仍不甚明晰，尚未在原子级层面获得实验的直接观测。

针对这一问题，复旦大学物理学系教授高春雷、吴施伟团队联手协作，创造性地运用了原位化合物分子束外延生长技术和自旋极化扫描隧道显微镜结合的实验手段，在原子级层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新的维度。北京时间11月22日凌晨，相关研究成果以《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题在线发表于《科学》（Science）主刊。

实验突破：揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性

近年来发现的二维磁性材料提供了研究堆叠与磁性的平台，其中三卤化铬家族CrX3（X = Cl，Br，I）引起了研究者的特别关注。研究表明，CrBr3和CrI3的体材料和单层薄膜都具有面外易轴的铁磁性，且两者体材料的晶体结构相似。然而，经由机械剥离而得的CrI3和CrBr3双层膜却呈现出迥然不同的磁耦合特性，前者在多种测量方式下均表现出出人意料的层间反铁磁耦合，而机械剥离的CrBr3双层膜仍可保持层间铁磁耦合。这一反常现象是领域内的一大未解之谜，引起了广泛的兴趣。它的内在物理机制如何？究竟是什么导致了层间磁耦合发生从铁磁性到反铁磁性的巨大转变？

团队基于以上科学问题，决定以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移的“自由”，从而使堆叠方式多样化成为可能。确实，在实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。其中，R型堆叠结构中，双层膜上下两层间同向平行排列，且沿晶体镜面方向作一定平移；H型堆叠结构中，双层膜上下两层之间旋转了180度，反向平行交错排列。这两种结构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。

运用自主研制的自旋极化扫描隧道显微镜测量技术，团队进一步在原子级分辨下获取了样品磁化方向的相对变化。在H型堆叠的CrBr3双层膜上，实验所得铁磁磁滞回线呈方形，双层膜的自发磁化方向同向排列，在外磁场的作用影响下，双层整体在朝上和朝下间变化。结合显微镜磁性探针本身的磁化方向，展现出2个平台。而在R型堆叠的CrBr3双层膜上，实验却测量到了4个平台。研究团队很快意识到此种回线形状对应于层间的反铁磁耦合：当外磁场小于±0.5T时，CrBr3双层膜层与层之间的磁化方向相反，形成了两个不同的层间反铁磁构型，对应了低磁场下的2个平台。而当外磁场大于±0.5T时，CrBr3双层膜的磁化方向在外磁场的影响下强制都指向外磁场方向，与大磁场下的2个平台相对应。

至此，团队率先在原子级尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。依据这一特性，有望为新型二维自旋器件提供全新的研制思路，应用前景广阔。更小身材、更高效率的磁性传感器、非易失随机存储器、自旋电子学器件，或均将成为现实。

技术前沿：自主研发实验设备实现精准测量调控

科学突破的取得，离不开实验技术的不断攻坚克难。该项研究所用设备均为团队自主研发搭建，从而为实验的顺利进展奠定坚实基础。

为获取符合要求的实验材料，团队巧妙地引入化合物分子束外延生长技术，在真空环境中蒸发原材料并促其以薄膜形式逐层沉积至表面，实现原子级精准控制。

考虑到生长所得的双层膜的尺寸在10 nm数量级，远超一般磁学测量方法的空间分辨能力，研究团队使用独特的自旋极化扫描隧道显微镜技术，利用显微镜探针与样品距离极度逼近所产生的量子隧穿电流，准确表征样品表面形貌、磁性等信息，可达结构和自旋的原子级分辨率。此技术壁垒高、难度大，成果的达成非一日之功，高春雷团队已在此领域深耕15年之久，经不断积累和创新，终获此突破。