Fe₃GeTe₂/石墨烯异质结构中自旋相关轨道耦合诱导的巨磁电阻

Fe₃GeTe₂/石墨烯异质结构中自旋相关轨道耦合诱导的巨磁电阻

信息技术对具有高灵敏度和宽温域工作能力的磁电阻 (MR) 传感器有巨大需求。已知石墨烯 (Gr) 的空间电荷不均匀性会导致其本征态下存在有限磁电阻，且可通过增加空间无序度来增强。然而，这种增强的磁电阻通常随温度降低急剧衰减。本文通过在石墨烯上堆叠范德华铁磁体 Fe₃GeTe₂(FGT) 形成 FGT/Gr 异质结构，在室温 (RT) 下 9T 磁场中实现了高达~9400% 的正磁电阻，较纯石墨烯提升一个数量级。更显著的是，该异质结构的巨磁电阻在从室温到 4K 的宽温域内保持稳定。对照实验和密度泛函理论 (DFT) 计算表明，增强的磁电阻源于 FGT 与石墨烯之间温度不敏感的自旋相关轨道耦合。本研究为实现高灵敏度、宽温域磁电阻传感器开辟了新途径。

01

文章介绍

磁电阻（MR）作为一种引人入胜的磁电现象，因其在基础科学与实际应用中的双重重要性，数十年来持续受到广泛关注。研究者致力于开发具有低能耗、高灵敏度且能在宽温区工作的磁电阻传感器。为实现这一目标，近年来对狄拉克半金属、奇异金属等新型材料的磁电阻特性进行了系统研究。这些材料最显著的特征是在低温下普遍存在非饱和线性磁电阻。然而，其磁电阻通常在低温时达到峰值，并随温度升高快速衰减，极大限制了实际应用。作为二维狄拉克半金属的石墨烯，其室温下由二维体系固有空间电荷不均匀性引发的非饱和线性磁电阻展现出重要应用前景。

本征石墨烯的磁电阻强度有限，存在显著提升空间。根据有效介质理论，石墨烯中无序度或电荷不均匀性程度直接影响其磁电阻效应。为此，研究者提出了通过增强无序度提升单层石墨烯磁电阻的多种策略：例如在石墨烯表面修饰金、钴、镍等纳米颗粒，但此类方法对磁电阻的提升效果有限；另一种方案是将石墨烯转移至晶格失配的黑磷、阶梯状SrTiO3或BiFeO3纳米岛阵列等特殊基底，通过界面应力诱导无序度增加，成功实现了室温磁电阻的显著增强。然而，这些体系的磁电阻仍存在严重温度不稳定性，这归因于无序度本身对外界温度的高度敏感性。最近，通过六方氮化硼（h-BN）封装技术，在石墨烯中构建狄拉克等离子体，实现了室温下0.1 T磁场110%、9 T磁场8600%的磁电阻值。但该等离子体仅存在于狄拉克点附近且稳定温区下限为~100 K，导致磁电阻在低温或偏离狄拉克点时急剧衰减。

为在更宽温区实现石墨烯体系巨磁电阻的稳定输出，需引入对温度不敏感的新型调控机制。本研究创新性地提出通过堆叠范德华铁磁体FGT与单层石墨烯构建FGT/Gr异质结构，在远离狄拉克点的条件下，于室温9 T磁场中实现了~9400%的磁电阻值，较纯石墨烯提升超过30倍。更重要的是，该巨磁电阻效应在室温至4 K的全温域内稳定存在，且随温度降低呈现轻微增强趋势。密度泛函理论（DFT）计算表明：FGT的磁性打破了石墨烯的自旋简并性——低迁移率的自旋多数载流子对电导贡献微弱，而高迁移率的自旋少数载流子主导输运过程。施加外磁场时，自旋少数载流子密度快速降低，导致电导率下降从而产生巨磁电阻效应。这项工作为开发兼具高灵敏度和宽温区工作能力的新一代磁传感器与自旋电子器件提供了理论依据与技术路径。

02

结果与讨论

室温巨磁电阻效应

我们通过简易干法转移技术结合标准电子束光刻与金属沉积工艺制备了FGT/Gr异质结构器件（详见方法部分）。图1a展示了典型器件（器件A）的结构示意图：霍尔条形电极直接制备于石墨烯带上，将导电通道分为纯石墨烯区域和FGT/Gr异质结构区域。采用四探针构型，通过测量纵向电阻Rxx随垂直磁场B的变化关系，分别计算两个区域的磁电阻值：

其中Rxx(B)和Rxx(0)分别代表施加磁场和零磁场条件下的电阻值。

我们首先测量了FGT/Gr异质结构区域在不同磁场下的四探针电流-电压（I-V）曲线（图1b）。如图所示，I-V曲线斜率的倒数（对应纵向电阻 RxxRxx）随磁场增强显著变化，表明存在强磁电阻效应。随后，在恒定源电流下连续扫描磁场，分别测得石墨烯区域和FGT/Gr异质结构区域的磁电阻曲线（图1c）。室温9特斯拉磁场下，FGT/Gr异质结构的磁电阻值达约9400%，而纯石墨烯区域的磁电阻不足300%，与文献报道值一致。本研究中异质结构的磁电阻增强幅度超30倍，据我们所知，其绝对值在石墨烯基体系中创下新纪录（参见图4c及附表1）。

排除FGT本征磁电阻贡献

首先需验证FGT自身是否产生巨磁电阻。通过制备霍尔条形器件（图1d插图），表征了与器件A中厚度相近（约40 nm）的FGT磁输运特性。反常霍尔效应测试表明，该范德华铁磁体的居里温度（TcTc）约为210 K，且易磁化轴垂直于平面。补充图1展示了低于和高于TcTc时FGT的磁电阻曲线，其可忽略的微弱磁电阻响应与先前研究一致，证实观测到的巨磁电阻效应源于异质结构界面耦合而非FGT本征特性。

磁电阻的温度、角度与门电压依赖性

图2a展示了器件A在不同温度下的磁电阻曲线。值得注意的是，纯石墨烯（补充图5）及其他石墨烯基异质结构中常见的低温振荡型或负磁电阻现象在本体系中未出现。相反，磁电阻在整个温区内随磁场单调递增，表明弱（反）局域化效应和普适电导涨落均被抑制。进一步绘制固定磁场下的磁电阻温度依赖性曲线（图2b），发现室温观测到的巨磁电阻在降温过程中几乎保持不变，与以往石墨烯基体系的衰减趋势形成鲜明对比，暗示其物理机制存在本质差异。这种温度不敏感性使其在室温与低温磁传感领域均具应用潜力。补充图2和5中的角度依赖性测试表明，当磁场垂直（平行）于样品表面时，RxxRxx达到最大值（最小值），符合余弦函数规律，说明体系遵循经典磁电阻机制（洛伦兹力主导）。

Fig.2: Temperature- and gate-dependent MR of FGT/Gr heterostructure. aThe MR curves of FGT/Gr heterostructure in Device A as a function of magnetic field at different temperature points.bVariation of MR with temperature under different magnetic fields in Device A.cTransfer curves of FGT/Gr heterostructure in Device C measured at room temperature under different magnetic fields.dNormalized MR of the FGT/Gr heterostructure in Device C under three representative magnetic fields as a function of gate voltage.

图2c展示了另一器件（器件C）在不同磁场下的转移曲线。可见，FGT/Gr异质结构中石墨烯的狄拉克点在零磁场下位于−2.5 V，且在高磁场下仍基本保持不变。根据图2c数据计算得到的门电压依赖性磁电阻如图2d所示（选取三个代表性磁场）。与先前研究一致，磁电阻在狄拉克点附近达到最大值，并随偏离该点逐渐降低。值得注意的是，低磁场下磁电阻衰减速率更快，而高磁场下衰减减缓。

巨磁电阻起源的理论阐释

令人费解的是，本征磁电阻可忽略的铁磁体FGT（9 T磁场下<1%），在与单层石墨烯构建异质结构后竟能使其磁电阻提升一个数量级以上。为揭示其物理机制，我们开展了FGT/石墨烯体系的密度泛函理论（DFT）计算（示意图见图3a）。图3b、c分别展示了投影至石墨烯和FTM的自旋分辨能带结构。由图3b可见，在费米能级附近（-0.08 eV），石墨烯自旋向下能带（蓝色）与FGT自旋向下能带发生耦合，而石墨烯自旋向上能带（红色）因FGT在费米面附近缺乏对应能级，仍保持原始线性色散关系，导致仅单一自旋通道发生强杂化。类似现象近期在铁磁绝缘体CrI3邻近耦合的石墨烯中亦有报道。此处将费米面处态密度（DOS）较高的自旋向下定义为多数自旋，DOS较低的自旋向上定义为少数自旋。石墨烯的高迁移率源于其狄拉克锥的线性色散与赝自旋特性。因此，自旋向下能带线性色散的破坏使得多数自旋载流子易受FGT散射，导致其迁移率（μ↓）远低于少数自旋载流子（μ↑）。FGT邻近耦合石墨烯的总电导率可表述为：σB = e(n↑μ↑ + n↓μ↓)，其中n↑/↓和μ↑/↓分别为自旋向上/向下载流子密度与迁移率。零磁场时，如前述有n↑ < n↓且μ↑ > μ↓，故石墨烯电导率σB=0 ≈ en↑μ↑。当施加外磁场B时，自旋向下能带下移（DOS增大），自旋向上能带上移（DOS减小）。根据粒子数守恒n↑ + n↓ + NFGT,↓ = 常数，可得δn↑ = δn↓ + δNFGT,↓（δn ≡ |n(B)-n(0)|），这意味着自旋向上（少数）载流子密度n↑的减少速率远大于自旋向下（多数）载流子n↑的增加，导致石墨烯电导率σB ≈ en↑(B)μ↑快速降低，从而产生巨磁电阻。

FGT增强石墨烯磁电阻的独特性验证

为验证FGT在增强石墨烯磁电阻方面的独特性，我们将二维铁磁半导体CrGeTe3（CGT）堆叠于单层石墨烯上构建CGT/Gr异质结构器件（器件结构及测试结果见补充图8）。实验发现该异质结构的磁电阻未现增强效应，甚至较纯石墨烯有所降低。针对CGT/Gr体系的密度泛函理论（DFT）计算结果（补充图9）表明：与FGT/Gr体系不同，CGT与石墨烯间的能带杂化作用微乎其微，因此无法产生如补充图8所示的自旋依赖轨道耦合诱导磁电阻增强效应。类似地，我们将二维非磁性半导体MoS₂与石墨烯构建MoS₂/Gr异质结构（测试结果见补充图10），同样未观察到显著的磁电阻增强。图4a总结了本工作中不同异质结构的磁电阻性能对比，唯有FGT/Gr体系展现出巨磁电阻效应，印证了前述FGT在调控石墨烯磁电阻方面的独特作用。

Fig.4: Statistics of MR in different devices. aHistogram of MR under 1 T magnetic field for different structures studied in this work.bVariation of MR under 9 T magnetic field with annealing temperature for different groups of devices.cComparison of MR for different graphene-based systems reported in our work and literatures.

真空退火对界面耦合的增强作用

我们进一步发现真空退火可有效增强FGT与石墨烯间的界面耦合，从而提升异质结构磁电阻性能。在范德华异质结构中，通过高温真空退火尽可能排出层间残留气体/水分子以增强界面耦合是常用手段，其效果取决于退火温度与时间。如图4b和补充图4c所示，未经退火的FGT/Gr异质结构（器件C）在9 T磁场下MR仅为~300%（仍高于纯石墨烯）。经过170°C高真空退火（参见方法部分）后，其MR急剧提升至~760%。对于退火温度更高（220°C与250°C）的器件，MR均超过~2000%，最高达~9400%。然而，纯石墨烯及其他异质结构体系经真空退火后MR未见显著提升。这进一步证实FGT/Gr的巨磁电阻源于其独特的界面耦合诱导自旋劈裂能带杂化效应，而非其他人为因素。

总结与展望

本研究在FGT/Gr异质结构中实现了室温9 T磁场下~9400%的巨磁电阻效应，其相较于纯石墨烯的超一个数量级提升源于FGT与石墨烯间的自旋依赖轨道耦合机制。而在铁磁半导体CGT或非磁性半导体MoS₂构建的石墨烯异质结构中，此类自旋依赖耦合效应可忽略，导致磁电阻增强失效。近期理论预测CrI3/Gr异质结构存在强自旋依赖杂化，或可产生类似磁电阻增强效应，值得后续探索。尤为重要的是，FGT/Gr异质结构的室温巨磁电阻在降温过程中几乎保持不变，与已报道体系的温度依赖性行为形成鲜明对比。随着大面积石墨烯及相关二维材料制备技术的快速发展，该工作为开发宽温区高灵敏度石墨烯基磁传感器展现出诱人前景。

文献：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58224-4

来源：文章来自Nature网站，由石墨烯联盟（CGIA）整理编辑。

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