撰稿|由课题组供稿
磁电阻效应是描述电阻在施加磁场时所发生的变化，若电阻增大则被称为正磁电阻，反之则为负磁电阻。两者反映了电阻在磁场作用下相反的变化趋势，所依赖的物理机制存在着巨大差异，往往存在于不同的材料体系中。近日，苏州科技大学姜昱丞副教授(现为仇成伟组访问学者)课题组与新加坡国立大学仇成伟教授课题组合作在光磁电阻领域取得突破，通过氩离子辅助轰击法构建了WSe2/quasi-two dimensional electron gas（WSe2/Q2DEG）异质结，在光照条件下，表现出巨大的正负磁电阻共存，即巨大的双极单向光磁电阻（giant bipolar unidirectional photomagnetoresistance，GBU-PhMR）。通过调节二硒化钨的厚度，该器件最高可获得4900000%的正磁电阻和-99.8%的负磁电阻，相关研究成果以“Giant bipolar unidirectional photomagnetoresistance”为题发表在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 119 (27), e2115939119, 2022。
大多数材料由于磁场产生的洛伦兹力而表现出正磁电阻，而负磁电阻通常会依赖于某些特殊的物理机理，一般与自旋散射相关。实现巨大磁电阻效应因其在自旋电子传感器、存储器等领域的广泛应用而引起了研究者极大的兴趣。人们发现了多种物理体系来实现显著的磁电阻，包括铁/铬超晶格、锰氧化物、外尔半金属等。无论在理论研究还是器件应用领域，实现更大磁电阻一直是研究者们追求的方向。然而，直到目前，仍然没有一个磁电阻体系可以同时表现出巨大的正负磁电阻。一个主要的原因是正负磁电阻的物理机制往往不同，因此会相互抵消，不可避免的使其中一方占据主导地位。近年来，范德瓦尔斯异质结的研究推动了高性能功能器件的发展，展现出许多优异的特性，如磁输运 、光电导和电致发光等。范德瓦尔斯异质结结合了多种材料的优点，为在单一器件中研究正负磁电阻的竞争机制提供了可能性。
研究团队基于前期研究所构建的WSe2/Q2DEG范德华异质结（见图一）。本团队已经在该体系中发现了一种可充电光电导（chargeable photoconductivity, CPC）效应（Phys. Rev. Lett. 127(21), 217401. (2021)），即发现超长寿命的光生载流子能够存储在空间电荷区。该体系在低温具有高度绝缘的特点，在同时施加光和磁场的情况下，只有光生载流子的输运行为会受到磁场的影响，这为研究光磁电阻（photomagnetoresistance, PhMR）现象提供了绝佳的平台。
图1. 器件结构 （A）WSe2/Q2DEG结构示意图。（B）WSe2与含氧空位钛酸锶范德华接触的示意图。（C）WSe2/Q2DEG的测试顶视图、光学照片及对应区域的显微图。球差电镜图：（D）WSe2、（E）含氧空位的钛酸锶。
在激光的辐射下，光生载流子能被存储在空间电荷区，外加偏压会消耗存储的光生载流子，在稳定的光辐射和偏压作用下，系统将达到动态平衡，可获得稳定的光电流，研究团队在该系统中观察到巨大的双极单向光磁电阻(GBU-PhMR) （见图2）。当WSe2较薄时，正磁电阻占据主导，正负磁场下的磁电阻曲线接近对称，而随着WSe2厚度的增加，负磁电阻逐渐占据主导，磁电阻曲线的对称性逐渐消失，表明正负磁电阻的来源、机制都不一样。此外，该体系还表现出巨大的单向磁电阻（unidirectional magnetoresistance）效应，这来源于WSe2较强的自旋轨道耦合。结合实验及第一性原理计算结果，单向磁电阻磁输运应与自旋动量锁定相关，而巨大的正磁电阻则来源于磁场对存储光生载流子复合的促进作用。
图2. 巨大双极单向光磁电阻GBU-PhMR（A）WSe2/Q2DEG磁电阻-磁场曲线，插图为单向磁电阻-磁场曲线。（B）双极磁电阻-磁场曲线随温度的变化。（C）不同偏压下的结电阻-磁场曲线（D）不同二硒化钨厚度的结电阻-磁场曲线。（E）与其他材料正、负磁电阻对比图。
进一步，研究团队还研究了磁电阻与磁场方向的关系（见图3）。当磁场和电流方向垂直时，异质结分别表现出显著的负磁电阻和正磁电阻效应；而当磁场和电流方向平行时垂直时，单向磁电阻现象消失。这充分说明，异质结内部自旋极化的方向为垂直于器件平面。研究团队基于实验现象提出了一个基于塞曼效应的理论模型来解释高度各向异性的负磁电阻现象，拟合了磁场作用下的结电流与零场电流之比随磁场的关系曲线，结果与实验结果符合得很好，可以合理地将负磁电阻归因于塞曼效应。
图3. 负磁电阻的各向异性（A）结电流-结电流与磁场夹角曲线。（B）结电流与磁场夹角为0°、45°、70°、90°时，磁场作用下的结电流与零场电流之比-磁场曲线。（C）光辐射下的结电流在与磁场方向平行时随磁场的变化曲线。（D）磁场作用下的结电流与零场电流之比-磁场曲线的实验数据与拟合数据，插图为结电流-磁场夹角曲线的实验数据与拟合数据。（E）不同磁场下结电流-磁场夹角曲线的理论模拟。
研究团队在WSe2/Q2DEG异质结中观察到了GBU-PhMR效应，这反映了光学和磁输运性质之间的复杂关系。基于实验和理论研究，得出GBU-PhMR效应源于面外自旋劈裂、磁场增强光载流子的复合和塞曼效应的共同作用。自旋极化导致了散射对磁场的单向依赖性，从而解释了UMR效应。磁场促进光生载流子的复合引起正磁电阻。塞曼效应导致了各向异性的巨大负磁电阻。当WSe2/Q2DEG异质结表现出独特的磁光输运时，上述机制同时起作用，从而表现出GBU-PhMR效应。该工作报道了一种新的巨大正负磁电阻共存平台，提出了光调谐自旋电子器件的新观点，在光磁传感、智能存储、磁成像等领域具有应用前景。
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2115939119
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