近日，山东大学集成电路学院王以林教授课题组与合作者在电学调控二维反铁磁材料磁相变的研究方面取得新进展，相关工作以“Electrical Control of Magnetic Order Transition in Two-dimensional Antiferromagnetic Semiconductor FePS₃” 为题发表在Advanced Science（影响因子：14.3）。集成电路学院特别资助类博士后弭孟娟和物理学院博士生章晴为文章共同第一作者，集成电路学院王以林教授、刘敏副教授、物理学院刘晓辉教授和晶体材料研究院王善朋教授为共同通讯作者。

反铁磁材料因其无杂散场、抗外磁场干扰和超快自旋动力学等优点而受到广泛关注。通过调控二维反铁磁材料的相变可引发诸多新兴物理现象，这一研究领域不仅对凝聚态物理具有重要意义，更为现代信息技术发展提供了关键支撑。目前已有多种调控手段被开发，包括磁场调控、电场调控、静电掺杂、压力调控等。现有研究主要集中在A型反铁磁材料（具有层内铁磁耦合、层间反铁磁耦合）的磁序调控，如CrI₃、CrCl₃、CrPS₄和CrSBr等，这些材料的磁转变可通过光学手段（如磁光克尔效应）或电学方法（如自旋过滤效应）直接观测。然而，对于层内反铁磁材料，例如MPX₃ (M = Mn, Fe, Ni; X = S, Se)，由于其净磁矩为零，其磁序转变的调控与直接检测仍面临重大挑战。

本工作利用有机阳离子插层技术，将各种类型有机阳离子插入到FePS₃的范德瓦尔斯层间，利用插层离子与每层材料间的电荷转移系统地调控其中的载流子浓度，进而调控其磁性能。随着载流子浓度的增加，插层FePS₃的磁基态发生反铁磁-铁磁-反铁磁转变。在适当的电子掺杂浓度下，插层FePS₃表现为亚铁磁序，T_c = 110 K。特别是插层FePS₃仍然保持垂直磁各向异性和较大的矫顽场。插层FePS₃磁滞回线的磁能积在50 K以下随着温度的升高而增大，在50 K以上随着温度升高而减小，最终在T_c = 110 K处消失。当电子掺杂浓度进一步增加时，插层FePS₃仍保持其反铁磁性质，但其奈尔温度降低。DFT的理论计算结果表明在亚铁磁态，FePS₃两条反铁磁耦合的铁磁链上Fe(1)和Fe(2)的原子磁矩大小不等，产生净磁矩，且电子掺杂诱导的AFM-FIM相变是由于Stoner效应和超交换作用之间的竞争导致的。该工作为纯电学手段调控二维磁性材料磁性能以及设计新型自旋电子器件提供了新的视角。

该研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、广东省量子科学战略计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、国家资助博士后研究人员计划、山东省博士后创新等项目的资助。