近日，电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心邓龙江院士/彭波教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为《Robust Electric-Field Control of Colossal Exchange Bias in CrI3 Homotrilayer》，以及在《Nano Letters》上发表了题为《Nonreciprocal and Nonvolatile Electric-Field Switching of Magnetism in van der Waals Heterostructure Multiferroics》的研究性论文，逐步揭示了该团队在二维异质结多铁体系中对于磁电耦合效应研究的最新研究成果。
磁电耦合通过磁性和铁电序之间的交叉耦合，为信息处理和存储开启了新的大门。然而由于铁磁性和铁电极化之间固有的互斥，磁电耦合通常很弱，通过电压直调磁电耦合实现非易失性磁化翻转是一项重大挑战。
交换偏置（EB）效应是数据存储领域中开发高灵敏度、高稳定性和高密度自旋电子器件的一项核心工作原理。尤为重要的是，利用电场控制EB效应对于下一代磁随机存取存储器和自旋电子学具有至关重要的作用。通过调控铁磁/铁电多铁异质结的界面磁电耦合是实现电场调控EB效应的有效途径。然而，在传统多铁异质结中界面磁电耦合通常是一种间接耦合，效应较弱，不利于电场调控。此外，铁磁和多铁材料之间存在晶格失配和界面缺陷，这些问题严重削弱了EB效应，以至于目前为止报道的偏置场仅有几十毫特斯拉（mT）。
二维范德华层状铁磁材料具有层数依赖的磁性，通过较弱的范德瓦耳斯相互作用与相邻层结合，克服了晶格匹配和兼容性的限制，可创建多种范德瓦尔斯异质结构, 为实现具有电路微型化、响应速率快和高开关比性能的磁传感器和非易失随机存储器等新型自旋电子学器件提供了新的契机。
鉴于此，邓龙江院士/彭波教授团队在前期的工作中首先发展了CrI3/α-In2Se3多铁性异质结。通过翻转α-In2Se3纳米薄片的铁电极化方向切换CrI3层间磁耦合，在0.01T外场辅助下实现了电场调控磁性翻转，磁相变临界场降低了82%。这项工作突破了低电压下实现非互易、非易失性磁性调控的关键技术瓶颈，为开发新型的超低能耗自旋电子器件开辟了一条崭新的道路。电子科技大学为《Nonreciprocal and Nonvolatile Electric-Field Switching of Magnetism in van der Waals Heterostructure Multiferroics》一文工作的第一完成单位，电子学院博士生吴杨柳为论文第一作者，彭波教授为论文通讯作者，电子学院邓龙江教授，基础院张妍宁教授为论文共同通讯作者。
最近，该团队在《Advanced Materials》上发表了题为《Robust Electric-Field Control of Colossal Exchange Bias in CrI3 Homotrilayer》的文章。文章中，研究人员报告了在铁电HfO2基底上构建的三层CrI3同质结中，通过电场成功实现了对巨大交换偏置（EB）效应的有效调控，展现了从-0.15至+0.33T的宽范围可调EB场，其调控幅度高达0.48T。理论计算揭示，得益于铁电HfO2衬底的电荷掺杂效应，三层CrI3同质结被巧妙地分割为反铁磁（AFM）双层与铁磁（FM）单层。进一步地，电荷掺杂与电场的协同作用促使双层CrI3中的磁序发生了从反铁磁相到铁磁相的转变，这一机制为实现巨大EB效应的电场栅压调控奠定了坚实基础。这种铁磁层与反铁磁层间的直接交换耦合不仅显著提升了EB场的强度，更为重要的是，它实现了在无外加磁场的情况下，仅通过电场即可调控磁性的翻转，这一突破性发现具有极其重要的意义，为二维铁磁材料在电控拓扑光子学、片上存储器以及自旋电子器件等领域的潜在应用开辟了新的机遇。
电子科技大学为此工作的第一完成单位，电子科学与工程学院博士生牛宇婷为论文第一作者，彭波教授为论文通讯作者，电子科学与工程学院邓龙江教授，新加坡科技研究局高性能计算研究院张刚教授为论文共同通讯作者。
图1. 电压调控磁化翻转。（a）铁磁铁电异质电控磁机制结示意图。（b）CrI3/In2Se3异质结多铁：正电场，磁相变场降低了82%; -0.01T磁场下电压调控自旋由上向下翻转。（c）CrI3/HfO2异质结多铁：零磁场下，电压调控自旋由上向下翻转。
图2. CrI3/HfO2异质结中电压调控磁化翻转机制。（a-c）既无电场也无电荷掺杂时即无栅压时，双层CrI3中两层Cr原子的t2g轨道与eg轨道均展现出能量的简并状态，呈现出反铁磁相。（d-f）电荷掺杂与电场增强了两层Cr原子的t2g-eg轨道杂化，促使了双层CrI3层间反铁磁耦合至铁磁耦合的磁相变的发生。
