近日，我院张荣院士团队傅德颐副教授课题组利用二维范德华铁磁体Fe3GeTe2 (FGT)与单层石墨烯（Gr）堆叠形成异质结，在室温9 T磁场条件下实现了高达9400%的磁阻，创下了石墨烯体系的磁阻记录。该异质结磁阻对温度表现出弱依赖性，从而解决了传统石墨烯体系中磁阻随温度降低而急剧减小的不足，使其在高精度和宽温域磁存储、磁场传感和生物医学传感等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Giant magnetoresistance induced by spin-dependent orbital coupling in Fe3GeTe2/graphene heterostructures”为题，于2025年03月24日在线发表于《Nature Communications》期刊。
磁阻（MR）效应因其在基础科学和实际应用中的重要意义，受到产学界长期以来的广泛关注和深入研究。为开发低能耗、高灵敏度和宽工作温域磁阻传感器，多种新型材料的磁阻特性被系统研究。其中，石墨烯凭借其优异的电学性能脱颖而出，并且展现出独特的线性非饱和磁阻现象——这源于其二维结构中空间电荷分布的不均匀性。然而，纯石墨烯中的磁阻较小（< 300%），研究者们提出了多种增强策略，例如通过纳米粒子修饰石墨烯表面，或将其置于具有褶皱结构的衬底上等等。这些方法进一步增加了石墨烯体系中的电荷不均匀性，虽然取得了一定的效果，但是磁阻增强仍然有限。更重要的是，低温下量子效应会显著影响石墨烯的磁场响应特性，导致器件磁阻大幅下降并出现负磁阻，难以在低温环境中稳定工作，因此是一个亟待解决的关键难题。
图1. FGT/Gr异质结的器件结构及磁阻测量结果
FGT/Gr异质结器件结构及磁阻测量结果如图1所示。室温下，FGT/Gr异质结的MR在9T磁场时高达9400%，与纯石墨烯相比，增强了大约30倍，这也是目前石墨烯及其异质结或改性体系中的报道最高值。更引人注目的是，我们发现MR随温度变化表现出显著的弱依赖性，即在室温到4K的范围内，MR的变化值很小。这也暗示了FGT/Gr体系中MR的增强存在新的物理机制。
图2. FGT/Gr异质结的DFT计算结果
DFT计算表明，当FGT与石墨烯形成异质结时，通过磁邻近效应打破了石墨烯的自旋简并，并且产生了自旋依赖的轨道杂化，导致石墨烯的一个自旋子带在费米面附近打开了一个有限的能隙，使得对应的自旋态密度上升而迁移率因受到杂化散射大幅下降。因此，低迁移率的自旋多数载流子的电导率很低，而高迁移率的自旋少数载流子在输运中占主导地位。当外加磁场时，自旋少数载流子的密度迅速降低，导致电阻率急剧升高，从而产生巨大的MR，且这种效应与温度无关，从而很好地解释了实验中测到的巨大磁阻及其温度弱依赖特性。
该论文的第一完成单位为厦门大学物理系，第一作者为22级博士研究生黄世明。傅德颐副教授、王茂原副教授和张峰教授为论文的共同通讯作者，南方科技大学梅佳伟教授和大连理工大学黄火林教授对该项工作提供了大力支持。
该工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、厦门市自然科学基金、厦门大学校长基金、江西省杰青基金、深圳市基础研究基金和大连市科技创新基金等项目的资助，以及微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心、福建省半导体材料及应用重点实验室等平台的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58224-4
