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东华大学&北京大学课题组：从“原子层控制”到“磁畴工程”：MBE生长Fe3GaTe2实现二维磁性从单畴到气泡畴的可调演化 | MDPI Inorganics |
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论文标题：Thickness-Dependent Magnetic Properties and Domain Evolution in Fe3GaTe2 Films Grown by Molecular Beam Epitaxy
论文链接：https://www.mdpi.com/2304-6740/14/7/179
期刊名：Inorganics
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/inorganics
一、引言
在二维磁性材料快速发展的背景下，如何在原子层尺度上“设计并控制磁性行为”，已成为凝聚态物理与自旋电子学领域的核心问题之一。近年来，Fe3GaTe2作为一种具有室温以上铁磁性的范德华金属体系，因其较高居里温度、强垂直磁各向异性以及良好的电导性，成为极具应用前景的二维磁体候选材料。
在最新发表于MDPI期刊 Inorganics 的研究中，研究团队通过分子束外延（MBE）技术，实现了对Fe3GaTe2薄膜厚度（1–4个晶胞）的精确调控，并系统揭示了其磁畴结构与磁化翻转机制随厚度演化的内在规律。
Fe3GaTe2外延薄膜的结构设计与截面微观表征结果。上方为样品层状结构示意图，显示在云母（mica）衬底上依次生长TiTe?缓冲层、Fe3GaTe2磁性层以及Te保护层的异质结构，并标示出面外磁矩取向。下方为对应的截面HAADF-STEM图像及EDS元素分布映射，其中清晰呈现Te保护层、Fe3GaTe2功能层与TiTe2层状结构的界面分布特征，Fe、Ga与Te元素在各自区域内均匀分布，证明了MBE生长获得的高质量、清晰界面与良好组分可控性。
二、研究过程与结果
作者在文中以分子束外延（MBE）生长的Fe3GaTe2二维范德华铁磁体为研究对象，系统研究了其在1–4个晶胞厚度范围内的磁性演化行为及磁畴反转机制。通过在云母（mica）衬底上逐层外延生长Fe3GaTe2薄膜，并引入Te保护层构建稳定异质结构，实现了对材料厚度的原子级精确控制。该方法结合原位反射高能电子衍射（RHEED）监测，实现层层生长过程的实时调控，从而保证薄膜具有高结晶质量与清晰界面结构。为了表征其磁性行为，作者采用磁光克尔效应（MOKE）显微成像与磁滞回线测量相结合的方法，对不同厚度样品的磁化过程进行了系统研究，并通过对外加垂直磁场下的磁畴演化进行实时成像，分析磁畴成核与扩展过程，从而建立厚度—磁畴结构—磁化翻转机制之间的关联关系。该方法不仅能够解析单畴极限下的连续磁化翻转行为，同时也能够清晰捕捉多畴体系中磁泡畴的形成、演化与湮灭过程，为理解二维铁磁体系中的尺寸效应提供了直接实验依据。
在具体实验过程中，作者对1晶胞厚度、2晶胞厚度及4晶胞厚度Fe3GaTe2薄膜分别进行了系统MOKE测试。对于1晶胞厚度样品，其磁滞回线表现为较为倾斜的软磁特征，矫顽力约为490 Oe，磁畴演化过程中未观察到清晰的畴成核与畴壁传播过程，表现为近似单畴体系的整体磁矩连续旋转翻转机制。随着厚度增加至2晶胞厚度，样品磁滞回线逐渐趋于方形，矫顽力提升至约900 Oe，同时在磁场驱动过程中出现明显的圆形磁泡畴成核与扩展行为，表明磁化反转机制由均匀旋转转变为成核—生长主导模式。当厚度进一步增加至4 晶胞厚度时，体系呈现出更为复杂的多畴结构演化特征，磁泡畴在外场作用下持续产生、扩展并相互融合，矫顽力进一步增强至约1100 Oe，剩磁比接近0.97。结合温度依赖分析结果，Fe3GaTe2薄膜的居里温度随厚度增加由约345 K逐步提升至约388 K，表明厚度增强显著提高了体系的磁有序稳定性。上述结果表明，Fe3GaTe2体系中磁性行为由“热激发主导的单畴翻转机制”逐渐演化为“缺陷钉扎与磁静能竞争主导的多畴磁泡机制”，从而实现了磁滞行为与磁畴结构的可调控制，为二维室温铁磁材料的器件化应用提供了重要实验基础。
图示为Fe3GaTe2薄膜在磁光克尔效应（MOKE）测量下的磁化反转过程与磁畴演化的对应关系。中央曲线为室温下获得的磁滞回线，不同磁场位置（圆点标记）对应外场驱动下的典型磁态；红色虚线将磁滞回线中的特定磁场点与周围磁畴图像一一对应。可以观察到，在磁化反转过程中，体系由饱和态逐步演化为局域磁畴成核态，并进一步发展为磁泡畴的生长与合并过程，最终完成整体磁化翻转。随着磁场从负向逐渐扫描至正向，磁畴结构呈现出明显的成核—扩展—湮灭动力学特征，表明该体系的磁化反转机制由厚度相关的磁畴演化过程主导，而非简单的均匀旋转翻转行为。该结果直观揭示了Fe3GaTe2薄膜中磁滞行为与空间磁畴结构之间的直接对应关系。
三、研究总结
本文系统总结了MBE生长Fe3GaTe2二维范德华铁磁薄膜在1–4晶胞厚度范围内的磁性演化规律：随着厚度增加，体系由1晶胞厚度下的近单畴连续旋转翻转逐步转变为2–4晶胞厚度中以磁畴成核—生长为主导的多畴反转机制，并伴随磁泡畴结构的逐渐形成与复杂化；对应地，矫顽力由约490 Oe持续提升至约1100 Oe，剩磁比显著增强至~0.97，体现出厚度增强型铁磁稳定性与畴壁钉扎效应的共同作用。该行为与机械剥离体系中常见的“薄层更强矫顽力”趋势不同，主要源于MBE生长引入的界面应变与微观非均匀性调控了磁静能与交换作用的竞争关系。综合来看，本研究揭示了二维Fe3GaTe2中由单畴旋转到多畴磁泡成核/扩展的厚度驱动磁化反转机制，为理解低维铁磁体磁畴动力学及其自旋电子器件应用提供了重要依据
Inorganics 期刊介绍
主编：Duncan H. Gregory, University of Glasgow, UK
期刊范围涵盖固体无机化学、配位化学、生物无机化学、有机金属化学、无机材料化学、理论无机化学、超分子化学和应用无机化学等，着重报道新的和已知无机化合物的合成、热力学、动力学性质、谱学、结构和成键等性能。期刊已被SCIE (Web of Science)、Scopus、CAPlus / SciFinder等数据库收录。
2025 Impact Factor: 3.4
2025 CiteScore: 5.3
Time to First Decision: 12.6 Days
Acceptance to Publication: 2.8 Days
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