上海大学材料基因组工程研究院曹桂新教授团队与复旦大学车仁超教授团队合作在国际著名期刊《Advanced Materials》（影响因子：30.2）上发表题为“Current-Controllable and Reversible Multi-Resistance-State based on Domain Wall Number Transition in 2D Ferromagnet Fe3GeTe2”的研究论文。
精确控制磁态切换为下一代自旋电子器件的发展提供了新的思路。其中，神经形态的自旋电子器件通过高度互连的突触模拟大脑功能，其性能高度依赖于由纯电流调制的磁阻切换引起的权重变化。目前，神经形态自旋电子器件面临的挑战在于开发具有多级和可逆磁态切换的全电策略。在此背景下，二维铁磁体Fe3GeTe2（FGT）因具有相对较高的居里温度和较强的垂直磁各向异性而备受关注。FGT较弱的范德华层间耦合和纳米薄片在（001）晶轴上显示的特殊性质使其成为自旋电子学器件的极佳候选者。目前的研究仅集中在FGT中的畴壁动力学行为，通过电流手段可以有效地调控畴壁运动，这使得FGT有望成为未来神经形态自旋电子器件材料。然而，FGT在全电策略下的可逆多级磁态切换尚未得到探索，这一研究方向的进展将为神经形态自旋电子学带来重大突破。
基于FGT的磁突触示意图与人脑对手写图像识别的比较
曹桂新教授团队与复旦大学车仁超教授团队提出了一种独特的全电控制策略，通过电流控制FGT中的磁畴壁数量和电阻值变化来实现多态切换。原位洛伦兹透射电镜揭示了电阻和畴壁数之间的强相关性，随着畴壁数的减少，电阻值也同步下降。研究还发现，脉冲电流能够可逆地切换磁畴壁状态，表明在FGT中可以通过全电方式可控和可逆地操纵畴壁数量和电阻。基于FGT的神经网络可逆突触设备利用调节磁畴壁数量和相应的多态切换模拟了生物突触的工作过程，实现了约91%的准确率。这一成果为发展基于二维铁磁体的高响应速度、易于重置和高准确性的神经形态计算设备提供了新的可能。
复旦大学车仁超教授和上海大学材料基因组工程研究院曹桂新教授为论文共同通讯作者，文章第一作者为复旦大学博士研究生杨辰迪，为2016级上海大学首届“材料设计科学与工程”专业本科毕业生，毕业后直博加入车仁超教授团队。材料设计科学与工程是国内首个材料基因理念培养的本科专业，由钱伟长学院和材料基因组工程研究院共同培养。此外，材料基因组工程研究院博士生黄亚磊和硕士生龙秀敏为共同合作者。该论文获得了科技部重点研发计划和国家自然科学基金项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202311831