南京大学丁海峰教授、缪冰锋教授、邓昱教授Advanced Materials:Cr1.8Te2:实现具有高居里温度和低阻尼的二维铁磁体

成果介绍

二维铁磁体的兴起不仅极大地推动了基础物理与材料科学的发展，也为各类应用（尤其是自旋电子学）提供了绝佳机遇。目前已报道的二维铁磁体，要么居里温度（T_c）低于室温，要么具有较高的磁阻尼（α），这严重限制了它们的实际应用。

近日，南京大学丁海峰教授、缪冰锋教授、邓昱教授（共同通讯作者）利用一套先进的互联式分子束外延与磁控溅射系统，制备出界面洁净、高质量的自插层Cr₁.₈Te₂薄膜及Cr₁.₈Te₂/Pt异质结。研究发现，在所有居里温度超过室温的二维铁磁体中，Cr₁.₈Te₂ 同时实现了高居里温度（~340 K）与创纪录的低磁阻尼（~0.02）。这些独特性能使得研究首次在室温大气条件下，在 Cr₁.₈Te₂/Pt 双层结构中通过自旋泵浦效应，观测到来自二维铁磁体的自旋注入。本研究表明，自插层 Cr₁.₈Te₂可作为一种高效的室温自旋流源，凸显了其在实用化自旋电子器件中的巨大应用潜力。

图文导读

图 1 Cr₁.₈Te₂的晶体结构及其表征。(a) Cr₁.₈Te₂晶体结构示意图。(b) Al₂O₃/Cr₁.₈Te₂/Pt 堆叠结构的截面扫描透射电镜（STEM）图，其中区域 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 分别对应 Cr₁.₈Te₂/Pt 界面、Cr₁.₈Te₂ 体相区域以及 Al₂O₃/Cr₁.₈Te₂ 界面。(c) 经逆傅里叶变换（逆FFT）处理后区域 Ⅱ 的高角环形暗场（HAADF）放大图。(d) 铬（Cr）与碲（Te）的 EDS 元素面分布图。(e,f) 区域 Ⅰ 和区域 Ⅲ 的 HAADF 放大图。(g) Cr₁.₈Te₂（12.8 nm）/Pt（4 nm）的原子力显微镜（AFM）图。(h) 不同厚度 Cr₁.₈Te₂薄膜的典型 X 射线衍射（XRD）图谱。

图 2 Cr₁.₈Te₂薄膜的磁学性能。(a) 室温下不同厚度 Cr₁.₈Te₂ 薄膜的面内磁滞回线。(b) 室温下沿不同方向测得的 18.3 nm 厚 Cr₁.₈Te₂ 薄膜面内磁滞回线。(c) 室温下 18.3 nm 厚 Cr₁.₈Te₂ 薄膜矫顽场的角度依赖关系。(d) 室温下不同厚度 Cr₁.₈Te₂ 的面外磁滞回线。(e) 场冷模式下不同厚度 Cr₁.₈Te₂ 样品的磁矩随温度变化曲线，磁场沿面内施加，大小为 50 mT。(f) 由 (e) 提取居里温度得到的 Cr₁.₈Te₂ 磁相图。

图 3 实验装置示意图及 Cr₁.₈Te₂/Pt 样品自旋泵浦信号的典型电学探测。(a) 自旋泵浦实验装置示意图。(b) 室温下，10 GHz 微波辐照下 Cr₁.₈Te₂（18.7 nm）/Pt（4 nm）双层条带中自旋泵浦诱导电压的原始数据。(c) 共振峰的洛伦兹函数拟合（红线），包含一个强的对称分量（绿线）与弱的反对称分量（蓝线），表明信号以自旋泵浦诱导信号为主。(d) 对称洛伦兹分量的面内角度依赖关系（黑点）及其拟合曲线（红线），其中包含自旋泵浦–逆自旋霍尔效应（SP‑ISHE）贡献（绿线）与自旋整流效应（SREs）贡献（蓝线）。

图 4 厚度依赖的自旋泵浦测试结果。(a) Cr₁.₈Te₂（9.8 nm）单层（红色方块）与 Cr₁.₈Te₂（11 nm）/Pt（4 nm）双层（深灰色圆点）的频率随共振场变化曲线，并采用基特尔公式进行拟合。(b) 当厚度大于 10 nm 时，不同厚度t样品的朗德 g 因子基本保持一致（g≈2.42）。(c) 有效磁化强度随厚度t的变化曲线，虚线为参考线。(d) Cr₁.₈Te₂（9.8 nm）单层（红色方块）与 Cr₁.₈Te₂（11 nm）/Pt（4 nm）双层（深灰色圆点）的共振线宽随频率变化曲线及线性拟合。(e) 不同厚度t下，Cr₁.₈Te₂（t nm）单层的本征阻尼（红色方块）与 Cr₁.₈Te₂（t nm）/Pt（4 nm）双层的有效吉尔伯特阻尼（深灰色圆点）。(f) 室温下 Cr₁.₈Te₂ 本征阻尼与其他已报道二维铁磁体的对比。

结论与展望

通过将 Cr 原子自插层至 CrTe₂的范德华间隙中，该研究成功制备出一种性能优异的二维铁磁体 ——Cr₁.₈Te₂，其同时具备高达～340 K 的居里温度与低至～0.02 的磁阻尼。这些独特性能使得作者首次在室温大气条件下，于 Cr₁.₈Te₂/Pt 双层结构中通过自旋泵浦实现了二维铁磁体的自旋注入。研究发现 Cr₁.₈Te₂/Pt 界面具有较高的有效自旋混合电导，可实现高效的自旋流输运，并在室温下电学探测到自旋泵浦信号。类似于钇铁石榴石（YIG）在磁子学中的广泛应用，Cr₁.₈Te₂有望成为室温二维自旋电子学的重要候选材料。当其与其他层状非磁性材料（如低对称过渡金属硫族化合物、拓扑绝缘体等）集成时，凭借其高效的自旋–电荷相互转换特性，有望构建出全二维材料的自旋电子器件。

文献信息

L.Yu, X.Yang, Z.Pang, et al. “Realizing a Two-Dimensional Ferromagnet With High Curie Temperature and Low Damping: Cr1.8Te₂.” Advanced Materials (2026): e20911. 

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202520911

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