近日，复旦大学物理学系修发贤课题组在基于二维铁磁材料的低通滤波器研究中取得了重要进展。3月20日，相关研究成果以《基于范德瓦尔斯铁磁的低通滤波器》（Low-pass filters based on van der Waals ferromagnets）为题在线发表于期刊《自然· 电子》（Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-023-00941-z）。
近年来，二维材料凭借其独特的低维机械柔性和可调的电学特性成为研究纳米机电系统的重要载体。其中，范德瓦尔斯层状铁磁材料作为一种极具潜力的新型低维材料，在缩减器件尺寸、提高器件功率等方面有着显著的优势。然而，虽然二维铁磁材料已经发展数年，基于二维铁磁的纳米机电器件的研究存在诸多挑战。一方面是由于普通二维铁磁材料无法实现大规模制备，另一方面，其居里温度远低于室温，与大多数纳米机电器件的制备和工作条件不相匹配。
为了构建基于二维铁磁材料的纳米机电器件，课题组首先利用分子束外延的生长方式，成功制备了晶圆级的二维铁磁材料铁锗碲（Fe5GeTe2）。铁锗碲本身具有接近室温的居里温度（280 K），是研究二维铁磁材料器件的良好载体。另外，在制备过程中，课题组还利用元素掺杂调控磁性的方法，外延生长出了一系列铁元素组分可调的Fe5+xGeTe2样品，并成功将样品的居里温度提升到了380 K。样品中稳定的室温铁磁态也通过电输运测量、磁化测量、X射线磁圆二向色性测量等不同手段得到了全面的表征。
图1.铁锗碲的（a）X射线磁圆二向色性测量 （b）磁化测量 （c）电输运测量
在成功制备晶圆级室温二维铁磁薄膜的基础上，课题组构建了以少层铁锗碲为磁芯的平面电感器。平面电感器是一种使用超大规模集成纳米制造技术的纳米机电器件。基于二维铁磁材料的新型平面电感器相较于传统的平面电感器极大地减小了器件厚度与体积，与此同时，仍具有相对较好的器件性能。实验中发现，铁锗碲作为磁芯在器件中起到了关键作用：拥有铁锗碲磁芯的器件相比于无磁芯的器件电感性能提升了74%。基于高性能的二维铁磁平面电感器，课题组进一步构建了一系列巴特沃斯低通滤波器。这种低通滤波器对高于截止频率的信号有衰减效应，仅低频率信号可以通过滤波装置。通过切换不同线圈匝数，课题组首次实现了截止频率可调的、动态范围高达40dB的低通滤波器。如图2（d），利用二维铁磁低通滤波器，可以对于高达100Hz与200Hz频率的杂波信号产生很好的滤波效果。
图2.（a）平面电感器示意图 （b）有/无铁锗碲磁芯的平面电感器性能对比 （c）二维铁磁低通滤波器增益的频谱响应图谱 （d）不同频率信号的滤波情况
该项工作填补了室温二维铁磁纳米机电器件研究的空白，迈出了室温二维铁磁材料由外延制备向实际应用的重要一步。另外，这种纳米厚度的纳米机电器件，也为构筑新型电子器件提供了更多的设计思路与架构空间。
该研究工作的合作团队包括伦敦大学皇家霍洛威学院刘文卿教授、昆士兰大学邹进教授、华盛顿大学许晓栋教授、北京工业大学陈艳辉副研究员和印度科学学院Awadhesh Narayan助理教授。该工作获得了复旦大学物理学系，应用表面物理国家重点实验室、基金委重点项目和国家重点研发计划的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，通讯作者为修发贤教授，课题组博士生李子晗为第一作者，博士后刘姗姗为共同一作。
修发贤课题组主要从事拓扑材料和低维原子晶体的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-00941-z
