近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶河南大學王凱教授、康朝陽副教授與中國科學院合肥物質院強磁場科學中心韓玉巖副研究員合作，依托SHMFF物性測試系統，在Pt/CrI₃異質結構輸運性質研究取得了新進展。該成果于2024年09月30日在國際著名學術出版社Elsevier發行的期刊Applied Surface Science上在線發表。

隨著科技的不斷進步，二維磁性材料因其獨特的物理特性在自旋電子學器件中展現出巨大的應用潛力。研究團隊聚焦于二維磁性絕緣體CrI₃納米片與金屬Pt薄膜構成的異質結構，探索其磁性與電子輸運性質的相互作用。該異質結構結合了CrI₃的磁性絕緣特性和Pt薄膜的金屬性，為研究磁性與電子輸運性質的相互作用提供了理想平臺。

該研究團隊采用化學氣相沉積法成功制備了高質量的CrI₃單晶，并利用微納加工技術構建了Pt/CrI₃異質結構。通過實驗觀察到，Pt薄膜在與CrI₃納米片接觸后，表現出了反常霍爾效應，這表明Pt薄膜通過磁性近鄰效應獲得了鐵磁性。密度泛函理論計算進一步揭示了Pt 5d和Cr 3d電子之間的交換相互作用在界面處的增強，這是Pt薄膜磁化的關鍵因素。

該研究團隊發現Pt/CrI₃異質結構的電阻隨溫度和磁場變化明顯。在強磁場下，該結構表現出非線性霍爾效應，這通常與鐵磁性相關。隨著溫度的升高，這種效應逐漸減弱，表明Pt層通過鄰近效應獲得了磁性。研究團隊還發現電流能夠調控Pt的磁化特性，即：增加測試電流可以降低Pt層的矯頑力和飽和電阻。此外，發現反常霍爾電阻隨著Pt層厚度的增加而減小。這是由Pt層的磁化強度逐漸降低引起，從而進一步證實了Pt的磁化主要是界面效應。通過第一性原理計算，研究團隊發現Pt/CrI₃異質結構形成了界面雜化軌道，Pt在費米能級發生了明顯的分裂，導致上下自旋態密度不均而產生磁矩。

這些發現為理解基于自旋的物理現象提供了新的視角，并為基于二維材料的自旋電子學設備的發展提供了重要的理論基礎和實驗數據。精確控制界面處的電子交換相互作用，可以有效地調控Pt層的磁化狀態，這對于設計新型自旋電子學器件具有重要意義。

河南大學王凱教授、康朝陽副教授和中國科學院合肥物質院強磁場中心韓玉巖副研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、強磁場安徽省實驗室的支持。

圖1. Pt/CrI₃異質結構的電輸運測量結果。 (a)Pt薄膜以及Pt/CrI₃異質結構的“橫向電阻-溫度”曲線；(b) 不同溫度下Pt (3 nm)/CrI₃ (50 nm) 異質結構的反常霍爾電阻（R_AHE）；(c) 不同測試電流得到的Pt (3 nm)/CrI₃ (50 nm) 異質結構的反常霍爾電阻，測試溫度為2 K；(d) 不同厚度的Pt層構筑的Pt/CrI₃(60 nm)異質結構的反常霍爾電阻，測試溫度為2 K；(e) 不同溫度下Pt (3 nm)/CrI₃ (50 nm)的“霍爾電阻-溫度”曲線；(f) Pt (3 nm)/CrI3 (50 nm)異質結構的ΔR_AHE隨溫度的變化(ΔR_AHE=R_AHE（+5T）-R_AHE（-5T）)

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