1 工作简介

         ——二维范德华铁磁/非磁异质结中自旋依赖的轨道耦合诱导的巨磁阻效应

磁阻效应是半导体传感与信息存储技术的核心物理效应之一。发展具有高灵敏度、低功耗且能在宽温区（尤其是室温）稳定工作的磁阻传感器，是信息技术领域的迫切需求，也面临巨大挑战。石墨烯作为一种高迁移率的二维狄拉克半金属，其本征磁阻有限，且通常通过引入无序度来增强的磁阻会随温度降低而急剧衰减，严重制约了其实际应用。近年来，尽管通过形成狄拉克等离子体等手段实现了室温下的高磁阻，但其性能在低温下或偏离狄拉克点后仍会大幅衰退。因此，探索一种机理新颖、对温度不敏感的磁阻增强策略，是实现石墨烯基高性能磁传感器应用的关键突破口。

有鉴于此，厦门大学张荣院士团队傅德颐课题组通过构建范德华铁磁体/石墨烯这一二维“铁磁/非磁”异质结构，发现了一种由自旋依赖的轨道耦合诱导的巨磁阻效应，取得了突破性成果，以“Giant magnetoresistance induced by spin-dependent orbital coupling in Fe₃GeTe₂/graphene heterostructures”为题发表于Nature Communications (2025, 16, 2866 )，其核心创新与亮点如下：

1. 性能突破：实现室温与低温下的超高稳定磁阻

研究团队将范德华铁磁体Fe₃GeTe₂与石墨烯堆叠形成异质结。该异质结在9T磁场下展现出高达9400%的室温巨磁阻，比纯石墨烯增强了超过30倍。更为重要的是，该巨磁阻在室温至4 K的宽温区内均能保持稳定，甚至略有提升，这与以往所有基于无序度增强的磁阻方案形成鲜明对比，解决了磁阻器件的温度稳定性难题。

2. 机理创新：揭示自旋依赖的轨道耦合新机制

通过第一性原理计算，研究团队揭示了巨磁阻的物理起源。Fe₃GeTe₂与石墨烯之间的特殊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耦合，使得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，导致其自旋多子（低迁移率）因与Fe₃GeTe₂的轨道耦合增强而被强烈散射，从而由自旋少子（高迁移率）主导输运。在外磁场下，自旋少子浓度急剧下降，导致电导率显著降低，从而产生巨磁阻。该机理本质上是能带调控，而非传统的无序度散射，因此对温度不敏感。

图2. （a）异质结原子结构示意图；（b, c）自旋分辨的能带在石墨烯和Fe₃GeTe₂的投影。

进一步的对比研究表明，将铁磁金属Fe₃GeTe₂替换为铁磁半导体Cr₂Ge₂Te₆或非磁半导体MoS₂时，均未观察到显著的磁阻增强效应。这证实了该巨磁阻效应源于Fe₃GeTe₂与石墨烯之间独特的界面耦合，凸显了其材料组合的特异性与创新性。值得指出的是，该机理预期具有广泛的普适性，进一步的研究可推广至“铁磁/非磁半导体”异质结体系，从而探究由自旋依赖的轨道耦合特性所诱导的半导体巨磁阻。

该工作不仅具有重要的科学价值，更展现出广阔的应用前景。基于二维范德华“铁磁/非磁”异质结的磁阻效应具有高灵敏度、宽工作温区、工艺简单等突出优势，为开发新一代高性能磁传感器奠定了材料基础。这种温度不敏感的巨磁阻特性，使得器件无需复杂的温控系统即可在低温到室温的各种环境下稳定工作，极大地拓展了应用场景，如汽车电子、工业控制、物联网以及极端环境探测等领域。随着大面积二维材料生长技术的快速进步，这项原创性工作有望推动我国在高端传感器芯片这一关键半导体细分领域的创新发展提供核心技术支撑。

厦门大学物理科学与技术学院博士生黄世明为本论文的第一作者，张峰教授、王茂原副教授、傅德颐副教授为本论文的通讯作者。张荣院士对本工作给予了全程指导。本论文得到国家自然科学基金委和科技部重点研发计划等项目的资助。

2 主要作者简介

第一作者

黄世明，厦门大学物理科学与技术学院2022级博士生。

研究方向为石墨烯中的磁输运和自旋输运，目前以第一作者或共一作者身份发表Nature Communications两篇和Applied Physics Letters一篇。

共同通讯作者

张峰，厦门大学物理科学与技术学院教授，青年“973”计划首席科学家，福建省杰出青年科学基金，闽江学者特聘教授，福建省级高层次人才，第三代半导体卓越创新青年。

长期从事宽禁带半导体材料、物理与器件相关的研究和教学工作，迄今在Nature Communications、IEEE EDL、APL等SCI期刊发表论文100余篇，总引用2000余次，授权发明专利20余项。

共同通讯作者

王茂原，厦门大学物理科学与技术学院长聘副教授，福建省高层次人才。

2020年于北京理工大学物理学院获得博士学位，长期从事凝聚态理论与计算物理相关研究，结合量子多体格林函数、第一性原理、Wannier函数等方法，研究凝聚态物理中的新奇拓扑材料物性。迄今在Nature Communications、PRL等SCI期刊上发表论文18篇，其中通讯/一作14篇。

共同通讯作者

傅德颐，厦门大学物理科学与技术学院长聘副教授，特任研究员，福建省高层次人才。

2012年于南京大学电子科学与技术学院获得博士学位，长期从事半导体材料、物理与器件相关的研究和教学工作，涉猎的材料体系包括以石墨烯、MoS₂为代表的二维量子材料和以GaN为代表的宽禁带薄膜半导体材料。近年来带领团队围绕二维量子自旋材料、物理与器件方向开展了系统深入的研究工作，迄今在Nature Communications、PRL、Nano Letters等SCI期刊发表论文80余篇，总引用5000余次，H因子31，其中他引大于100次的论文15篇。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58224-4