dimensional (2D) spintronic devices. Here, we demonstrate that the interlayer coupling in a vdW magnet
Fe3GeTe2 (FGT) can be largely modulated by a protonic gate. With the increase of the protons intercalated
among vdW layers, interlayer magnetic coupling increases. Because of the existence of antiferromagnetic
layers in FGT nanoflakes, the increasing interlayer magnetic coupling induces exchange bias in protonated
FGT nanoflakes. Most strikingly, a rarely seen zero-field cooled (ZFC) exchange bias with very large
values (maximally up to 1.2 kOe) has been observed when higher positive voltages (Vg ≥ 4.36 V) are
applied to the protonic gate, which clearly demonstrates that a strong interlayer coupling is realized by
proton intercalation. Such strong interlayer coupling will enable a wider range of applications for vdW
magnets.
本研究组与澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）合作，在二维磁性材料研究中取得重要进展，华南理工大学为成果的第2完成单位。这项理论和实验的合作工作首次证明，二维范德华材料的层间耦合可以通过质子注入进行很大程度的调节，从而开拓了范德华材料新的应用领域，并提升了其器件应用可实现性。
该工作7月22日在Physical Review Letters在线发表，并得到编辑的推荐（该杂志约1/5的论文才会被编辑推荐）。这项研究的实验部分由澳大利亚皇家墨尔本理工大学的王澜教授团队负责（该校博士生郑国林为第一作者），理论计算部分由赵宇军教授团队负责（博士生谢文强为共同第一作者）。
范德华材料由许多二维层状结构组成，石墨就是其中典型的代表。这些二维层状结构之间通过很弱的静电力结合，从而很容易进行单层剥离，如利用透明胶带方法就能制备石墨烯。但是如此弱的结合力也限制了这些材料在多个领域中的应用。如果能提升其层间耦合，将拓展其在二维多铁性器件以及具有量子反常霍尔效应的高温设备中的应用。这项合作研究表明，质子的注入可明显增强Fe3GeTe2（FGT）这种范德华材料层状结构之间的耦合。通过提高栅电压注入大量质子后，在FGT中还实现了磁场和零磁场下的交换偏置，说明质子注入能在增强层间耦合的同时，获得令人惊讶的新现象。这一方法也为拓展其他范德华材料的应用提供了参考。
我校赵宇军教授团队，通过基于密度泛函理论的多个模型模拟，发现质子注入到FGT后，其实得到电子而以负离子形式存在。在考虑范德华力的情况下，确认氢离子的注入会明显增强FGT材料的层间耦合。实验中不容易确定在不同栅电压下能有多少氢离子注入到FGT。理论团队在缺陷形成能计算中综合考虑电压、环境pH值、振动熵等多个因素，获得了不同栅电压下FGT中的氢离子浓度。进一步分析了氢离子注入对FGT体系的磁耦合、磁各向异性的影响，有力地支持了实验发现。
对于范德华材料FGT的研究，赵宇军教授团队与王澜教授团队去年也有一项合作成果发表在Science子刊 Science Advances 5, 7, eaaw0409 (2019)。在三维材料体系的“磁性/非磁性/磁性”界面结构，普遍存在曾获诺贝尔物理学奖的巨磁阻现象，会出现一高一低二个磁阻平台。而当时的合作工作在FGT/graphite/FGT三明治结构中发现了很特别的三个磁阻平台， 在二维磁性界面体系展现的新型物理现象吸引了相关领域的研究者。