『南京邮电普勇、钮伟;南大王学锋 Adv. Mater.』范德华磁性异质结构中的全局钉扎交换偏置效应
随着人工智能与新型存储需求的快速增长，磁阻随机存取存储器（MRAM）成为关键技术之一。传统 MRAM 依赖复杂的多层堆叠结构，制造难度大且功耗高。二维范德华（vdW）磁性材料因其可形成原子级锐利界面，具备在纳米尺度下实现高性能与可扩展性的潜力。本研究提出一种新型器件结构：通过部分覆盖的反铁磁层即可在整个铁磁层中实现全局钉扎交换偏置（GPEB）效应。以 Fe₃GeTe₂/MnBi₂Te₄（FGT/MBT）为例，实验发现仅覆盖约 1/5 面积的 MBT 即可使整个 FGT 层产生一致的交换偏置，水平钉扎距离可达 100 µm。这一效应在多种 vdW 磁性异质结构中普遍存在，为未来低功耗、高灵活性的自旋电子器件与存算一体架构提供了新思路。部分覆盖实现全局效应：小面积 AFM 层即可钉扎整个 FM 层，简化器件结构。
普适性验证：在多种 vdW 磁性异质结构中均观察到 GPEB 效应。
水平钉扎距离突破：实现接近 100 µm 的全局偏置范围。
覆盖率可调控：不同覆盖比例可精确调节交换偏置强度与阻塞温度。
理论模型支撑：建立能量竞争模型，揭示界面耦合与层内交换作用的关键作用。
应用前景广阔：为新型 MRAM、逻辑-存储一体化器件及二维自旋电子学提供设计策略。
📊 图示要点
图 1｜传统与 GPEB SOT-MRAM 对比 展示传统自旋轨道扭矩 MRAM 的多层堆叠结构与新型 GPEB 器件架构。后者仅需部分覆盖的 AFM 层即可实现全局钉扎，且电极直接接触铁磁参考层，降低读出功耗。
图 2｜FGT/MBT 异质结构的基本表征与交换偏置 展示 FGT/MBT 异质结构示意图、XRD 与 Raman 光谱，确认界面质量。Hall 电阻测试显示在低温下出现典型交换偏置，阻塞温度约 23 K，证实界面耦合主导效应。
图 3｜FGT/MBT 中的全局钉扎交换偏置效应 展示部分覆盖 MBT 的器件结构与光学图像。多组 Hall 电极同时测量表明，覆盖区与裸露区的磁矩翻转同步，均表现出一致的交换偏置，水平钉扎距离超过 20 µm。
图 4｜多种 vdW 磁性异质结构中的普适性验证 展示 FGT/FPS、FCGT/MPS、FGT/CrCl₃、FCGT/MBT、FGaT/MBT、FGaT/CrSBr 等器件的光学图像与 Hall 测试结果。所有结构均表现出全局钉扎效应，证明其普遍性。
图 5｜GPEB 的机理与调控 展示插入 h-BN 间隔层后交换偏置消失，说明界面耦合的关键作用。理论模型揭示能量竞争条件。实验进一步表明覆盖率与交换偏置强度呈饱和关系，水平钉扎距离可达 100 µm，并提出基于 GPEB 的逻辑-存储一体化器件设计示意。
🧠 结论与展望
本研究首次在范德华磁性异质结构中实现全局钉扎交换偏置效应，证明小面积 AFM 层即可在整个 FM 层中诱导一致的交换偏置。该效应在多种 vdW 磁性体系中普遍存在，并可通过覆盖率与界面耦合进行调控。
未来发展方向包括：
器件简化与低功耗化：利用部分覆盖实现高效 MRAM 与自旋逻辑器件。
存算一体架构：基于 GPEB 构建逻辑-存储融合的新型计算平台。
二维自旋电子学拓展：探索更多 vdW 磁性材料组合，开发新型量子与拓扑器件。
全局钉扎交换偏置效应为二维磁性异质结构的设计与应用开辟了新范式，有望在未来高性能存储与自旋电子学中发挥关键作用。
Niu, W., Zhang, X., Gu, Z. et al.Emergent Global-Pinning Exchange Bias in van der Waals Magnetic Heterostructures. Adv Matere18642 (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202518642
