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【研究背景】
在存储介质中使用纯电场代替磁场来切换磁性是下一代低功耗自旋电子学和存储器件的一种有前景的方法。特别是在多铁体系中，磁电耦合通过利用磁性和铁电序之间的交叉耦合，为数字信息的操控打开了大门。然而由于磁性和电极化之间固有的互斥，单相多铁性材料较为少见，磁电耦合通常很弱。据先前报道，有多项研究通过间接应变介导耦合来控制多铁异质结构薄膜中的磁化。但通过直接磁电耦合实现可逆非易失性磁化旋转是一项重大挑战，且面对着前所未有的困境。
在范德华异质结中，相邻原子级薄层之间的层间耦合使电子波函数驻留在多个特定层中，将层自由度从空间变量指标提升到量子力学指标。二维范德华磁体和铁电体的最新发现引起了广泛关注，这些原子级薄的二维晶体为通过范德华工程研究磁性和铁电性之间的界面耦合提供了新途径。从能耗上看，切换铁电极化要比切换铁磁体的能量消耗少3个数量级。此外，铁电极化可以通过电场调制不同层重叠的电子波函数引起显著的界面磁电耦合效应，从而以非易失性方式有效地操纵磁性。实现低功耗和非易失性自旋电子学的一个令人兴奋的途径是整合铁电极化和磁序以创建2D FM/FE异质结构，并通过纯电场直接切换自旋，超越单相多铁性材料中弱磁耦合的限制。2D vdW FM/FE多铁性异质结构可实现单一材料无法实现的功能，并为实现非易失性电控制磁性开辟了新途径。目前已有几篇理论研究提出通过改变 2D vdW FM/FE异质结构多铁性材料中的铁电极化方向来实现磁相变。然而，实验上通过铁电极化操控磁性的报道很少，在小电压下的非易失性磁化反转在2D vdW 异质结多铁性材料中仍然具有挑战性。
【成果介绍】
鉴于此，电子科技大学的邓龙江院士和彭波教授团队，联合张妍宁教授团队发表了题为“Nonreciprocal and Nonvolatile Electric-Field Switching of Magnetism in van der Waals Heterostructure Multiferroics”的工作在Nano Letters期刊上。这篇报道报告了一种由2D层状AFM CrI
3
和FE α-In
2
Se
3
组成的多铁性异质结构，反转α-In
2
Se
3
纳米薄片的FE极化方向可切换层间磁性。相反的FE极化
P
配置会产生不同的层间耦合，从而在两种磁态之间的转换中出现非互易磁电耦合效应。此外，当电场被移除时，残余的FE极化可以保护磁电耦合，从而产生非易失性的电控磁性。这项工作展示了源自2D AFM/FE界面的独特而丰富的物理现象，并为通过连续电控磁性实现具有非易失性的超低功耗自旋电子学开辟了一条道路。
图 1. CrI
3
/In
2
Se
3
异质结多铁性器件和10 K下六层CrI
3
的磁序。(a) 夹在石墨烯触点和hBN之间的多铁性器件的示意侧视图。(b)器件的光学显微照片。实心黄色和红色圆圈分别代表α- In
2
Se
3
和hBN上的测试位置。(c)六层CrI
3
的平面原子晶格视图，Cr
3+
和I
–
离子分别显示为蓝色和紫色球。(d)六方α-In
2
Se
3
的俯视图和侧视图的原子结构模型。(e)10 K下多铁异质结的拉曼光谱。(f)选定电场下六层CrI
3
在α-In
2
Se
3
和hBN上的RMCD曲线。
图 2. 6L CrI
3
/In
2
Se
3
多铁异质结中的反对称磁电耦合效应。(a, b)多铁器件RMCD强度随施加栅极电压和磁场的变化。(c, d) (a)和(b)对应的时间反转过程。(e, f) 随着磁场增加，自旋翻转跃迁临界磁场随施加电场的变化。
图 3. RMCD 信号与施加磁场和栅极电压的关系。(a, b) 从图 2b, d 中选择的水平线切割展示了栅极感应磁转变。(c, d)在选定的磁场下，电压诱导的从S1
+
(S1_)到S2
+
(S2_)状态的连续转变。(e, f) μ
0
H
–V 依赖的RMCD绝对值差异。
图 4. 非易失性电控磁转变。(a, b) 移除施加电压后，时间相关的RMCD强度随磁场的变化。(c, d) RMCD绝对值随μ
0
H
时间变化的差值。
图 5. 3L CrI
3
/In
2
Se
3
异质结多铁性材料中的非互易和非易失性电场磁性切换。(a) 三层 CrI
3
器件（器件2）的RMCD信号在零栅极电压下随平面外磁场的变化。蓝色（红色）曲线表示磁场从负（正）方向扫向正（负）方向时的RMCD信号。插图为器件的侧视示意图和光学显微照片。(b, c) 三层CrI
3
器件的RMCD信号强度随栅极电压和施加磁场的变化。(d)从 V
g
= −10 V (红色)、0 V (蓝色) 和+10 V (黑色) 时栅极诱导的磁跃迁自旋翻转场变化的演示中选择的水平线。(e) 在选定的μ
0
H
= +0.02 T（-0.02 T）下，栅极诱导磁转变从 1FM
–
(1FM
+
) 到1FM
+
(1FM
–
) 状态。（f）在+10 V下三层 CrI
3
的RMCD信号作为磁场的函数，以及移除施加电压后随时间变化的RMCD环路。
【总结展望】
总之，本文展示了范德华CrI
3
/In
2
Se
3
异质结多铁性材料中非互易和非易失性磁性电控。通过施加较小的栅极电压，可以将磁转变的临界场调整至高达82%，从而实现栅极电压驱动的连续磁相变。由于相反极化配置引起的鲁棒性非互易磁电耦合效应，从而使得这种磁转变电场控制是可逆的。2D CrI
3
中层间交换耦合的铁电极化调制导致两种磁化状态之间的非易失性电切换，这可能为新型超低功耗和多态自旋电子器件开辟道路。
【文献信息】
Yangliu Wu, Deju Zhang, Yan-Ning Zhang*, Longjiang Deng*, and Bo Peng*, Nonreciprocal and Nonvolatile Electric-Field Switching of Magnetism in van der Waals Heterostructure Multiferroics. Nano Lett. 2024. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03970
