近日，複旦大學物理學係修發賢課題組在基於二維鐵磁材料的低通濾波器研究中取得了重要進展。3月20日，相關研究成果以《基於範德瓦爾斯鐵磁的低通濾波器》（Low-pass filters based on van der Waals ferromagnets）為題在線發表於期刊《自然· 電子》（Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-023-00941-z）。

　　近年來，二維材料憑借其獨特的低維機械柔性和可調的電學特性成為研究納米機電係統的重要載體。其中，範德瓦爾斯層狀鐵磁材料作為一種極具潛力的新型低維材料，在縮減器件尺寸、提高器件功率等方麵有著顯著的優勢。然而，雖然二維鐵磁材料已經發展數年，基於二維鐵磁的納米機電器件的研究存在諸多挑戰。一方麵是由於普通二維鐵磁材料無法實現大規模製備，另一方麵，其居裏溫度遠低於室溫，與大多數納米機電器件的製備和工作條件不相匹配。

　　為了構建基於二維鐵磁材料的納米機電器件，課題組首先利用分子束外延的生長方式，成功製備了晶圓級的二維鐵磁材料鐵鍺碲（Fe5GeTe2）。鐵鍺碲本身具有接近室溫的居裏溫度（280 K），是研究二維鐵磁材料器件的良好載體。另外，在製備過程中，課題組還利用元素摻雜調控磁性的方法，外延生長出了一係列鐵元素組分可調的Fe5+xGeTe2樣品，並成功將樣品的居裏溫度提升到了380 K。樣品中穩定的室溫鐵磁態也通過電輸運測量、磁化測量、X射線磁圓二向色性測量等不同手段得到了全麵的表征。

圖1.鐵鍺碲的（a）X射線磁圓二向色性測量 （b）磁化測量 （c）電輸運測量

　　在成功製備晶圓級室溫二維鐵磁薄膜的基礎上，課題組構建了以少層鐵鍺碲為磁芯的平麵電感器。平麵電感器是一種使用超大規模集成納米製造技術的納米機電器件。基於二維鐵磁材料的新型平麵電感器相較於傳統的平麵電感器極大地減小了器件厚度與體積，與此同時，仍具有相對較好的器件性能。實驗中發現，鐵鍺碲作為磁芯在器件中起到了關鍵作用：擁有鐵鍺碲磁芯的器件相比於無磁芯的器件電感性能提升了74%。基於高性能的二維鐵磁平麵電感器，課題組進一步構建了一係列巴特沃斯低通濾波器。這種低通濾波器對高於截止頻率的信號有衰減效應，僅低頻率信號可以通過濾波裝置。通過切換不同線圈匝數，課題組首次實現了截止頻率可調的、動態範圍高達40dB的低通濾波器。如圖2（d），利用二維鐵磁低通濾波器，可以對於高達100Hz與200Hz頻率的雜波信號產生很好的濾波效果。

圖2.（a）平麵電感器示意圖 （b）有/無鐵鍺碲磁芯的平麵電感器性能對比 （c）二維鐵磁低通濾波器增益的頻譜響應圖譜 （d）不同頻率信號的濾波情況

　　該項工作填補了室溫二維鐵磁納米機電器件研究的空白，邁出了室溫二維鐵磁材料由外延製備向實際應用的重要一步。另外，這種納米厚度的納米機電器件，也為構築新型電子器件提供了更多的設計思路與架構空間。

　　該研究工作的合作團隊包括倫敦大學皇家霍洛威學院劉文卿教授、昆士蘭大學鄒進教授、華盛頓大學許曉棟教授、北京工業大學陳豔輝副研究員和印度科學學院Awadhesh Narayan助理教授。該工作獲得了複旦大學物理學係，應用表麵物理國家重點實驗室、基金委重點項目和國家重點研發計劃的大力支持與資助。論文的第一單位為複旦大學物理學係，通訊作者為修發賢教授，課題組博士生李子晗為第一作者，博士後劉姍姍為共同一作。

　　修發賢課題組主要從事拓撲材料和低維原子晶體的生長、量子調控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方麵致力於新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的製備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方麵主要研究其電學、磁學和光電特性。