虚拟专题: 磁学与磁性材料(2022)
磁学是一门古老而永葆青春的学科，与基础、应用紧密相关联，磁学领域的研究成果在能源、信息、机械、化工、医疗等领域得到了广泛的应用。我国学者在稀土永磁材料、多铁性与磁电耦合、自旋电子学、低维磁性等多个磁学与磁性材料研究方向中取得重要成果。编辑部精选汇集了2022年刊发的和磁学与磁性材料领域相关的文章，以期读者可以了解此领域的最新研究进展与未来发展方向。
2022, 71 (1): 017502.
doi: 10.7498/aps.71.20211177
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磁致伸缩材料在传感、控制及能量与信息转换等领域应用前景广阔, 此类材料的性能提升及工程应用已成为研究热点, 但材料在制备与使用中不可避免会出现缺陷. 本文以常用的铁磁性材料铁单质为研究对象, 采用分子动力学方法分别建立无缺陷、孔洞缺陷与裂纹缺陷的铁单质磁致伸缩结构模型, 分析了缺陷形式对铁单质薄膜磁致伸缩行为的影响, 并从微观原子磁矩角度解释缺陷对磁致伸缩行为的影响机理. 结果表明: 缺陷会对其周围的原子磁矩产生影响, 从而影响铁单质薄膜磁致伸缩, 其中孔洞形缺陷对磁致伸缩的影响较小, 裂纹形缺陷对磁致伸缩的影响较大. 裂纹的方向会影响铁单质薄膜的磁致伸缩, 与磁化方向平行的裂纹会降低材料在磁化方向上由初始状态至磁化达到饱和的最大磁致伸缩量; 与磁化方向垂直的裂纹会提高材料在磁化方向上由初始状态至磁化达到饱和的最大磁致伸缩量.
2022, 71 (4): 046103.
doi: 10.7498/aps.71.20211706
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采用固相反应法合成了一种ZrCuSiAs型准二维层状锰基化合物ThMnSbN. 基于X射线粉末衍射的结构精修显示, 该化合物属于P4/nmm空间群. 其晶胞参数为a = 4.1731 Å, c = 9.5160 Å. 电输运测量显示, 该化合物电阻率随温度下降缓慢上升, 且在16 K附近出现电阻率异常. 与此同时, 该材料的磁化率在同一温度附近出现异常, 显示出类似磁性相变的行为. 进一步的比热测量中没有观察到磁相变导致的比热异常. 另外, 低温下的比热分析显示, 该材料的电子比热系数为γ = 19.7 mJ·mol–1·K–2, 远高于其他同类锰基化合物. 该结果与电输运测量中观察到的低电阻率行为相符, 暗示ThMnSbN中费米面附近存在可观的电子态密度. 基于对一系列ZrCuSiAs型化合物晶体结构细节的比较, 分析了含有萤石型Th2N2层的系列化合物中导电层所受化学压力的不同作用形式.
2022, 71 (5): 058504.
doi: 10.7498/aps.71.20211883
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传感器作为物联网技术的基石, 在人们的生产生活中发挥着重大作用. 其中, 基于隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistance, TMR)的磁传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点, 在导航定位、生物医学、电流检测和无损检测等领域具有极大的应用前景. 本综述以TMR传感器技术路线的发展为核心, 囊括了从基本传感单元到三维空间磁场检测, 再到实际应用的多个研究重点. 首先, 介绍了TMR传感器发展历程并阐明其基本工作原理, 讨论了提高单个传感单元磁隧道结输出线性度的方法. 接下来, 详细介绍了传感器的重要电路结构—惠斯通电桥, 以及制备TMR全桥结构的多种工艺方法. 进一步, 从三维空间磁场检测这一市场需求入手, 深入讨论了基于TMR传感器的三维传感结构的设计和制备方法. 同时, 以传感器灵敏度和噪声水平这两大基本性能为切入点, 列举了TMR传感器性能的优化方案. 最后, 本文对TMR传感器的应用展开了详细介绍, 以自旋麦克风, 生物传感器两个新兴应用为例, 对TMR传感器未来在物联网中的发展和应用进行了展望.
2022, 71 (6): 067202.
doi: 10.7498/aps.71.20211815
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增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件, 这需要在石墨烯样品中引入独特的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用, 并保持较高的迁移率. 然而, 对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型”Rashba自旋-轨道相互作用, 会破坏可能存在的拓扑态, 并带来一定程度的杂质散射, 降低样品迁移率. 在石墨烯表面修饰EDTA-Dy分子后, 载流子迁移率得到了提高, 并且可以看到显著的量子霍尔电导平台. 其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制, 这意味石墨烯中可能引入了内禀的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用, 增强了Elliot-Yafet型电子自旋弛豫机制. 进一步通过矢量磁体磁阻测量, 发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪, 这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了Kane-Mele型自旋-轨道相互作用.
2022, 71 (6): 067201.
doi: 10.7498/aps.71.20211786
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自旋器件有望实现量子信息存储、传感和计算, 是下一代数据存储和通信的理想器件. 与无机自旋器件相比, 有机自旋器件不仅可以实现传统无机自旋器件的功能, 而且在同一有机自旋阀器件中会同时测到正负磁电阻信号, 这是因为有机分子与铁磁电极在界面会发生自旋杂化而产生独特的自旋界面. 通过控制自旋界面, 可以改变界面处分子能级展宽和偏移程度, 从而实现对磁电阻信号的可控调制. 有机自旋阀器件发展迅速, 但仍有一些问题亟待研究, 如对自旋界面进行识别和表征, 以及利用自旋界面对有机自旋阀信号进行操控等. 针对上述问题, 本文首先综述了有机自旋阀的基本原理, 通过对比无机有机材料能级结构的差异解释了有机自旋阀中自旋界面形成的原因, 对于有机自旋阀中磁电阻信号的增强和反转现象, 利用自旋界面模型中能级展宽和偏移进行了解释; 接着列举了自旋界面的实验识别案例, 如利用对表面敏感的表征技术对自旋界面进行识别以及设计新颖的器件结构验证自旋界面的存在等; 然后汇总了利用自旋界面调制自旋信号的相关工作, 自旋界面的调制可以通过电场调节铁电层的铁电极化、诱导铁磁电极相变、界面化学工程和磁交换相互作用等方式实现; 最后总结了有机自旋界面中仍需解决的问题, 并对有机自旋界面的识别和可控利用进行了展望.
2022, 71 (6): 060202.
doi: 10.7498/aps.71.20211625
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磁性材料是信息时代重要的基础材料, 不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提, 其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求. 本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据, 采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测. 提取了材料的元素和结构属性特征, 通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征, 发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献. 基于机器学习的随机森林算法, 构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型, 采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估, 结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力. 在测试检验中, 磁性基态分类模型的准确率为85.23%, 精确率为85.18%, 召回率为85.04%, F1分数为85.24%; 磁矩预测模型的拟合优度为91.58%, 平均绝对误差为0.098 μB/atom. 本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择, 可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.
2022, 71 (8): 087201.
doi: 10.7498/aps.71.20212068
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本文把同分异构体3,3'-Di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl (mCBP)和4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)作为给体, PO-T2T作为受体, 以质量比1∶1制备了两种激基复合物器件, 并在不同温度和偏压下测量了器件的发光磁效应(magneto-electroluminescence, MEL). 发现室温下mCBP为给体的器件, 其MEL的低磁场部分表现出反向系间窜越(reverse intersystem crossing, RISC)过程, 降温时该RISC转变为系间窜越(intersystem crossing, ISC)过程; 而CBP为给体的器件则表现出ISC过程, 且降温时ISC过程先减弱后增强. 室温下两种器件MEL的高磁场部分都体现为三重态激子与电荷的猝灭, 但在20 K下CBP为给体的器件还出现了三重态-三重态激子湮灭. 两种完全相反的低磁场线型与mCBP和CBP不同的结构导致三重态激子能量的高低有关. 低温下微观过程的改变是因为低温不利于RISC过程、ISC过程和能量损失等演化通道. 此外, 当mCBP:PO-T2T质量比从1∶4到1∶1再到4∶1时, 器件中的RISC过程越来越强, 这是由于器件更趋平衡有利于RISC过程的结果. 当以两种激基复合物为主体掺入TBRb荧光客体材料, 在mCBP:PO-T2T为主体的器件中得到了更高的外量子效率. 本工作为制备高效率激基复合物发光器件提供了实验和理论参考.
2022, 71 (9): 097502.
doi: 10.7498/aps.71.20212384
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磁性半导体材料在自旋电子器件领域具有重要的应用前景. 本文设计了一些基于磁性半导体NiBr2单层的纳米器件结构, 并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法, 研究了其自旋输运和光电性质. 结果表明, 在不同的输运方向(扶手椅形和锯齿形), NiBr2单层PN结二极管表现出明显的整流效应及自旋过滤效应, 这两种效应在其亚3 nm PIN结场效应晶体管中也同样存在. NiBr2单层PIN结场效应晶体管的电子传输受到栅极电压的调控, 电流随着栅极电压的增大受到抑制. 另外, NiBr2单层对蓝、绿光有较强的响应, 其光电晶体管在两种可见光的照射下可以产生较强的光电流. 本文研究结果揭示了NiBr2单层的多功能特性, 为镍基二卤化物在半导体自旋电子器件和光电器件领域的应用提供了重要参考.
2022, 71 (9): 096103.
doi: 10.7498/aps.71.20212316
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近年来, 作为一种自旋电子学领域的关键材料, 具有高温本征铁磁性的稀磁半导体受到了广泛的关注. 为探索能够提高本征铁磁性居里温度(Curie temperature, TC)的方法, 本文运用第一性原理LDA+U方法研究了应变对Mo掺杂GaSb的电子结构、磁学及光学性质的影响. 研究结果表明: –6%—2.5%应变范围下GaSb半导体材料具有稳定的力学性能, 压应变下GaSb材料的可塑性、韧性增强, 有利于GaSb半导体材料力学性能的提升; 应变对Mo替代Ga缺陷(MoGa)的电子结构有重要的影响, –3%至–1.2%应变范围下MoGa处于低自旋态(low spin state, LSS), 具有1${\mu _{{\rm{B}}}}$ 的局域磁矩, –1.1%—2%应变范围下MoGa处于高自旋态(high spin state, HSS), 具有3${\mu _{{\rm{B}}}}$ 的磁矩; 不管是LSS还是HSS, MoGa产生局域磁矩之间的耦合都是铁磁耦合, 但铁磁耦合的强度和物理机制不同, 适当的压应变可有效提高铁磁耦合强度, 这有利于实现高TC的GaSb基磁性半导体; Mo可极大提高GaSb半导体材料的电极化能力, 这有利于光生电子-空穴对的形成和分离, 提高掺杂体系对长波光子的光电转化效率; Mo引入的杂质能级使电子的带间跃迁对所需要吸收光子的能量变小, 掺杂体系光学吸收谱的吸收边发生了红移, 拉应变可进一步提升(Ga,Mo)Sb体系在红外光区的光学性能.
2022, 71 (12): 127305.
doi: 10.7498/aps.71.20220349
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铁电材料因具有电场可调的自发极化, 在各类功能器件中有着广泛的应用. 受器件小型化发展趋势的影响, 二维范德瓦耳斯铁电材料及其层状母体块材成为了铁电领域的重点研究对象之一. 近年来, 研究人员已经制备出了数种二维范德瓦耳斯铁电材料, 并通过理论计算与实验结合的方法发现这些材料及其母体块材具有许多优良的、新奇的物理性质. 本文主要介绍近年来几种范德瓦耳斯铁电材料的一些研究进展, 包括体相范德瓦耳斯材料CuInP2S6的新奇物性的理论预测与实验证实, 以及两类二维范德瓦耳斯铁电材料M2X2Y6 (M = 金属, X = Si, Ge, Sn, Y = S, Se, Te), QL-M2O3 (M = Al, Y)及相关功能器件的理论设计, 最后对范德瓦耳斯铁电材料蕴含的丰富物理内涵及其发展前景进行了简要探讨, 希望能够为该领域的相关研究提供一些思路和参考.
2022, 71 (12): 127504.
doi: 10.7498/aps.71.20220301
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具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序, 其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控. 这些新奇特性赋予了二维磁性材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值, 受到了研究者的广泛关注. 本文着重介绍近年来二维磁体在实验和理论计算两方面的研究进展, 首先从几种二维磁性材料中常见的磁交换机制出发, 随后以组分作为分类依据, 详细介绍一些主要二维磁体的几何和电子结构以及它们的磁耦合方式; 在此基础上, 再讨论如何通过外部(外场和界面)和内部(堆叠和缺陷)两类方式调控二维磁体的电子结构和磁性; 继而探讨如何利用这两类调控方式, 将上述材料应用于实际自旋电子学器件以及磁存储等方面的潜力; 最后总结和展望了目前二维磁性材料遇到的困难和挑战以及未来可能的研究方向.
2022, 71 (12): 127505.
doi: 10.7498/aps.71.20220727
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二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下, 为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台, 也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景. 晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性, 是合适的二维磁性候选材料. 结合分子束外延 (MBE)技术, 不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限, 而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控. 本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构, 并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质. 随后, 讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法, 包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结. 最后, 总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.
2022, 71 (12): 127503.
doi: 10.7498/aps.71.20220699
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范德瓦耳斯层状铁磁材料不但为基础磁学的前沿研究提供了重要的平台, 同时在下一代自旋电子器件中展示了广阔的应用前景. 本文利用化学气相传输方法生长了高质量的、具有本征铁磁性的Ta3FeS6块材单晶. 通过机械剥离法得到厚度19—100 nm的Ta3FeS6薄层样品, 并发现相应的居里温度在176—133 K之间. 低温反常霍尔测量表明Ta3FeS6样品具有面外的铁磁性, 其矫顽场在1.5 K可达到7.6 T, 这是迄今为止在范德瓦耳斯铁磁薄膜材料中报道的最大数值. 此外, 在变温过程中, 还观察到磁滞回线极性的翻转. 相比于通常的范德瓦耳斯磁性材料, Ta3FeS6具有空气稳定性和极大的矫顽场, 这为探索稳定的、可小型化的范德瓦耳斯自旋电子器件研究开辟了全新的平台.
2022, 71 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.71.20220316
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基于理查德-沃尔夫矢量衍射理论和逆法拉第效应, 提出一种在单轴晶体中产生高纯度纵向针形磁化场的方法. 该方法通过电偶极子对数N及其阵列多参数调控, 利用单轴晶体中的电偶极子反向辐射构建出优化的入瞳光场, 再正向紧聚焦获得所需目标磁化场. 模拟结果表明: 当N = 1时, 单轴晶体中产生的磁化场比在同性介质中焦深长度增加近1.4倍, 横向分辨率提高5%. 当N = 2和N = 3时, 单轴晶体中获得的纵向针形磁化场随着电偶极子对数增加, 轴向焦深增加了10%, 横向分辨率提高了18%. 随着磁化场轮廓表面值从0.1变化到1, 针形磁化场的纯度逐渐增大到1. 尤其当N = 2、轮廓表面值为0.1时, 磁化场纯度高达95%. 研究结果为在各向异性介质中生成更高纯度、针长更长的纵向磁化场提供了可行性方案, 也为全光磁记录、原子捕获和光刻等实际应用中入瞳光场的优化选取提供了理论指导.
2022, 71 (14): 148506.
doi: 10.7498/aps.71.20220252
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利用新型材料器件发展类脑计算硬件研究的关键问题是发展出合适的算法, 能够发挥新器件的特点和优势. 群体编码是生物神经系统常见的编码方式, 能够有效去除噪音, 实现短时程记忆及复杂的非线性映射功能. 本文选择自旋电子学器件中研究较多、工艺较成熟的磁性隧道结, 应用其可调控的随机动力学实现群体编码. 作为一个应用的例子, 超顺磁隧道结构建的二层脉冲神经网络成功完成了鸢尾花数据集的无监督聚类. 数值仿真表明基于磁性隧道结的群体编码可以有效对抗器件的非均一性, 为类脑计算硬件研究提供重要的参考.
2022, 71 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.71.20220895
摘要 +
由于量子效应, 低维石墨烯体系中具有离域的p壳层磁性, 其性质迥异于局域的d/f壳层电子. 该离域特性使精准调控纳米石墨烯的磁基态和磁交换作用变得有可能, 有望精准构筑高质量的磁性石墨烯量子材料. 近年来, 由于表面化学和表面物理的深度结合, 在单原子精度下研究纳米石墨烯的磁性变为可能, 打开了一个研究有机量子磁体的新方向. 本综述首先概述纳米石墨烯磁性的发展过程和研究现状, 然后讨论纳米石墨烯中磁性的产生机制, 接着回顾近年来实验的研究进展, 最后对低维磁性石墨烯未来发展可能遇到的挑战与机遇进行展望.
2022, 71 (23): 238502.
doi: 10.7498/aps.71.20221278
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磁性隧道结经过结构优化和性能提升已成功应用于磁存储、磁传感、磁逻辑等多种自旋电子学器件中. 磁传感是利用磁性隧道结的自由层和钉扎层之间特殊的磁结构来实现隧穿磁电阻(TMR)随外加磁场变化而呈现的线性输出. 迄今为止, 人们基于MgO磁性隧道结已经研发出五种TMR线性传感单元, 分别是人工间接双交换耦合型、磁场偏置型、面内/面外垂直型、超顺磁型的TMR线性传感单元. 本文梳理了这五种TMR线性传感单元并对它们的磁传感性能进行了系统比较, 为人们探索和发现磁敏传感器的相关应用提供了帮助.
