近日，物理科学与技术学院傅德颐副教授课题组在石墨烯巨磁阻研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Giant magnetoresistance induced by spin-dependent orbital coupling in Fe₃GeTe₂/graphene heterostructures”为题，于2025年3月24日在线发表于Nature Communications刊。

研究背景

磁阻(Magnetoresistance, 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的磁阻传感器，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不饱和磁阻现象——这源于其二维结构中空间电荷分布的不均匀性。然而，纯石墨烯的磁阻相对较小（< 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。

研究内容

针对上述难题，研究团队创新性地引入二维范德华铁磁体Fe₃GeTe₂，与石墨烯形成异质结，利用其特殊的磁邻近效应，在室温下测量获得9T磁场下高达9400%的巨磁阻，与纯石墨烯磁阻相比，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已报道磁阻的最高值。更引人注目的是，研究发现该巨磁阻随温度变化表现出显著的弱依赖性，即在室温到4K的宽温度范围内，磁阻的变化很小。这也暗示了Fe₃GeTe₂/石墨烯体系中磁阻的增强存在新的物理机制。

理论计算表明，当Fe₃GeTe₂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耦合，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，导致电阻急剧升高，从而产生巨大的磁阻，且这种效应与温度无关，从而很好地解释了实验中观测到的巨磁阻效应及其温度弱依赖特性。

傅德颐副教授表示，该研究不仅得到了创纪录的磁阻，而且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。

器件结构示意图及测量结果

研究相关

该工作在傅德颐副教授的全程指导下完成。2022级博士研究生黄世明为论文第一作者，王茂原副教授（理论计算）和张峰教授为论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、厦门市自然科学基金、厦门大学校长基金、江西省杰出青年基金项目等经费项目的资助，以及厦门大学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。