近日，我院胡季帆教授团队基于石墨烯对质子的低穿越势垒与高选择性，成功实现了纯质子迁移对氧化物磁电特性的可逆调控。相关工作成果以“Electrical control of magnetism through proton migration in Fe3O4/graphene heterostructure”为题发表在《Nano Letters》期刊上。
电场调控磁性以其可逆、低能耗、高响应速率以及与半导体工艺好的兼容性等优势有望在磁存储器领域广泛应用。门电压通过离子液体在薄膜表面处产生极大的界面电场，该电场驱动的离子迁移是有效实现电控磁的方式之一。目前，人们已经发现多种离子（H+, O2?, Li+, OH?等）在电场下的迁移可以对材料的磁性、电阻等进行有效调控。其中，H+半径最小（半径10?7 nm量级）且可以存在于多种形态中，比如溶液、氧化物、重金属、离子液体及其他储氢材料，是较有潜力的可迁移离子之一。
但电场驱动H+迁移时会造成带负电的离子（O2?, OH?）朝相反方向移动，这无疑会增加系统的复杂性。为了解决这一问题，胡季帆教授团队利用双层石墨烯（孔径~0.24 nm）作为离子筛，它对H+具有低穿越势垒，而对其他离子则能很好的过滤（O2?半径~1.35 nm；OH?半径~1.32 nm），据此构筑了Fe3O4/graphene异质结器件。通过离子液电场驱动，成功实现了H+在亚铁磁材料Fe3O4中的可逆性嵌入与抽取，进而实现对Fe3O4磁矩、磁电阻以及磁各向异性的可逆、非易失性调控。并通过密度泛函理论计算揭示了H+在磁铁矿中介导磁性的机理。石墨烯离子筛为可选择性的离子迁移提供了思路，该工作也将对基于可选择性离子迁移的固态材料体系中功能性的电场调控提供帮助。
博士生刘伟康与青年教师刘亮博士为文章共同第一作者，崔彬和胡季帆教授为文章共同通讯作者。山东大学是唯一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金项目、山东大学齐鲁青年学者配套经费的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00838
