通过圆偏振光电流效应研究了Fe?GeTe?/Bi?Te?异质结构中界面诱导的二维铁磁性

《Applied Surface Science》：Interface-induced 2D ferromagnetism in Fe 3GeTe 2/Bi 2Te 3 heterostructures studied via the circular photogalvanic effect

二维范德华铁磁体Fe3GeTe2与拓扑绝缘体Bi2Te3异质结中，通过系统研究圆偏振光致电导效应（CPGE）揭示界面耦合机制对高温铁磁性的调控作用。当FGT层厚度超过2 nm时，顶界面主导CPGE电流，其与Bi2Te3底面的贡献存在差异。结合磁输运与CPGE数据，证实异面交换耦合是提升异质结Curie温度的关键机制。

　　二维范德华（vdW）铁磁材料因其独特的物理特性，在自旋电子学领域展现出广阔的应用前景。这类材料通常由层状结构组成，具有优异的磁性和电学性能。在研究中，通过界面工程调控这些材料的磁性能及其异质结构是一个有效的方法。本研究系统地分析了Fe?GeTe?（1、2、4、6 nm）/Bi?Te?（8 nm）异质结构中的环形光致电流效应（CPGE），旨在揭示界面耦合与高温铁磁性之间的关系。

CPGE是一种特殊的电流现象，通常在具有强自旋轨道耦合（SOC）的材料中出现。当材料受到圆偏振光照射时，电子会从自旋分裂的价带选择性地跃迁至导带，导致在k空间中出现不对称的载流子分布，从而在实际空间中产生电流。这种效应的强度与材料内部的自旋分裂程度密切相关，因此CPGE电流的测量成为评估SOC强度的有效手段。在本研究中，我们发现CPGE电流随着Fe?GeTe?（FGT）层厚度的变化呈现出先增加后减少的趋势，并在2 nm厚度时达到最大值。这一现象主要归因于界面态的SOC强度差异。

为了进一步验证这一结论，我们通过从样品的前后两侧照射1064 nm圆偏振光的方式进行CPGE测量，结果显示异质结构中的CPGE电流主要来源于顶部FGT/BT界面和BT底部表面。此外，我们还研究了CPGE电流随入射光功率和温度的变化情况，发现随着温度升高，CPGE电流的强度有所变化，这与界面处的有效电场强度密切相关。通过结合磁输运测量和CPGE数据，我们进一步确认了界面交换耦合是导致FGT/BT异质结构中Curie温度（T_C）提升的关键机制。

Curie温度是衡量材料磁性稳定性的关键参数，它表示材料在该温度以下保持铁磁性的能力。在二维范德华磁性材料中，T_C通常受到磁各向异性和交换相互作用的共同影响。其中，磁各向异性被认为是SOC强度的强函数，因此，通过调控SOC可以有效提高二维磁性材料的T_C。本研究发现，在FGT/BT异质结构中，当FGT层厚度超过2 nm时，界面交换耦合对T_C的提升作用尤为显著。这一发现不仅加深了我们对二维磁性材料与拓扑绝缘体异质结构之间相互作用机制的理解，也为开发基于这些材料的下一代自旋电子器件提供了新的思路。

在实验部分，我们通过分子束外延（MBE）技术在蓝宝石（0001）基底上生长了尺寸为10 × 10 mm2的FGT/BT异质结构，其中BT层的厚度为8 nm，而FGT层的厚度分别为1、2、4和6 nm。为了防止氧化，我们在生长完成后立即在FGT/BT异质结构上沉积了一层5 nm的Te保护层。随后，通过电子束蒸发技术在FGT/BT薄膜上沉积电极接触。为了收集光致电流，我们在样品上放置了一对尺寸为1 × 1 mm2的Ti/Au电极。

在结构表征方面，我们利用反射高能电子衍射（RHEED）技术对样品进行了分析。如图1(a)所示，当使用[110]入射角进行测量时，8 nm BT层和1 nm FGT层的RHEED图案显示出清晰的条纹，表明样品具有高质量的晶体结构和原子级光滑的表面。此外，我们还对生长后的Te/FGT/BT薄膜进行了拉曼光谱分析，如图1(b)所示，拉曼光谱明显显示出某些特征峰，这进一步验证了材料的结构和界面质量。

在结果与讨论部分，我们详细分析了CPGE电流的变化规律及其与界面耦合的关系。通过系统的CPGE测量，我们发现当FGT层厚度超过2 nm时，CPGE电流的增强主要来源于界面处的SOC效应。这表明，在二维磁性材料与拓扑绝缘体异质结构中，界面的物理特性对整体性能具有决定性影响。此外，我们还研究了CPGE电流随温度的变化情况，发现随着温度的升高，CPGE电流的强度有所变化，这可能与界面处的有效电场强度以及材料内部的磁各向异性有关。

通过磁输运测量，我们进一步提取了FGT层的Curie温度和界面处的有效电场强度。这些数据与CPGE测量结果相结合，使我们能够更准确地分析界面交换耦合对T_C的影响。在FGT/BT异质结构中，当FGT层厚度为2 nm或更大时，界面交换耦合显著增强了T_C，使其高于相同厚度的纯FGT层。这一发现表明，界面工程在调控二维磁性材料的磁性能方面具有重要作用。

在结论部分，我们总结了本研究的主要发现和意义。通过系统研究FGT/BT异质结构中的CPGE效应，我们揭示了界面耦合在提升材料磁性能中的关键作用。这一研究不仅加深了我们对二维磁性材料与拓扑绝缘体异质结构之间相互作用机制的理解，也为开发基于这些材料的自旋电子器件提供了理论依据和技术支持。此外，CPGE电流作为一种敏感的探测手段，能够有效地反映界面处的物理特性变化，从而为研究界面工程对材料性能的影响提供了新的方法。

在作者贡献方面，Shaolong You主要负责撰写原始草稿、研究设计、数据分析和数据管理；Runyu Zhao参与了研究设计、数据分析和数据管理；Tianxiao Nie提供了资源并设计了实验方法；Shuying Cheng、Yunfeng Lai、Yonghai Chen均参与了实验方法的设计；Jinling Yu负责撰写和编辑论文、设计实验方法以及提出研究思路；Zhu Diao参与了撰写原始草稿、实验方法设计、数据管理以及提出研究思路。所有作者均对研究的完成做出了贡献，并且没有利益冲突。

本研究受到多个基金的支持，包括国家自然科学基金（项目编号62074036、61674038、11574302）、福建省对外合作项目（项目编号2023I0005）、低维量子物理国家重点实验室开放研究基金项目（项目编号KF202108）、国家重点研发计划（项目编号2016YFB0402303）以及福建省工业和信息化厅基金（项目编号82318075）。这些支持为研究的顺利进行提供了必要的资源和保障。

综上所述，本研究通过系统分析Fe?GeTe?/Bi?Te?异质结构中的CPGE效应，揭示了界面耦合在调控磁性能方面的重要性。这一研究不仅拓展了我们对二维磁性材料与拓扑绝缘体异质结构之间相互作用机制的理解，也为开发新型自旋电子器件提供了理论基础和技术支持。同时，CPGE电流作为一种有效的探测手段，能够帮助我们更深入地研究材料的物理特性变化，从而为未来在磁性和拓扑态调控方面的发展提供新的方向。