第一作者：冯钰

通讯作者：李强、陈东云

通讯单位：青岛大学物理科学学院、青岛大学威海创新研究院、加拿大滑铁卢大学电气与计算机工程系和量子计算研究所

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500234

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近期，一种新型自旋电容调控方法在磁性的电压调控（VCM）领域崭露头角，该方法通过双相离子-电子传导机制，在多种锂基器件中实现了显著、快速且可逆的磁响应调控，在低功耗应用中展现出巨大的潜力。基于钠基器件与神经元处理的内在关联性、更高安全性及更优的半导体集成兼容性，本研究首次报道了通过钠辅助自旋电容机制实现的磁化强度调控，并展示了其相对于锂基器件的独特优势。以层状FeSe作为调控材料，原位磁学测量揭示了其巨大且可逆的磁响应特性：在高电压区间呈现铁磁态“开-关”行为，而在低电压区间则表现出准线性磁化强度变化。综合表征证实了低电压区间（0-0.75 V）VCM的自旋电容特性，1 V电压窗口内实现了12.70 emu g^-1的显著调控幅度——这源于钠离子嵌入层状FeSe过程中通过两步反应生成接近100%的铁纳米颗粒。该器件展现出自旋电容磁调控的优异操纵特性：在0-0.75 V低电压区范围内具有出色的耐久性（>1000次循环）、毫秒级响应速度以及非易失性。此项研究为开发兼具高速、可逆、非易失及低成本特性的低功耗器件开辟了新途径，特别在类脑模拟应用中展现出显著的优势。

背景介绍

电压调控磁性（VCM）技术是一种新兴的磁电耦合技术，它利用低功率的电场操纵材料的磁性，在数据存储、处理、传感驱动和神经形态计算等领域具有巨大的应用潜力。然而，传统的VCM方法，如基于场效应晶体管原理的静电掺杂和通过电解质门控的离子调控，都存在一定的局限性。静电力掺杂虽然存储速度快，但由于其表面效应限制了调控能力，尤其是在具有短屏蔽长度的金属中。而通过化学反应实现的离子调控在不同材料中均表现出显著的渗透深度和非易失性，但由于化学反应过程的固有特性，其调控速度和可逆性有所降低。为了克服这些挑战，研究者们提出了一种空间电荷机制，通过构建离子和电子双相传导的纳米复合材料，实现高容量的界面存储和超快的动力学传输。基于锂离子的空间电荷效应，一种新的自旋电容调控磁性方法被引入，它结合了静电掺杂和离子调节的优势。此外，鉴于钠资源的丰富性、钠基器件的安全性和与半导体集成的优越兼容性，以及钠离子在神经细胞信息处理中的重要作用，研究者们开始探索通过钠离子控制磁性的方法。然而，由于Na⁺的半径比Li⁺大，导致反应动力学缓慢，限制了铁磁金属纳米颗粒的形成和空间电荷存储容量，因此需要寻找合适的材料来解决这一问题。

研究出发点

1）鉴于钠基器件在类脑信息处理中的潜在优势，本文从钠资源丰富、成本低廉以及良好的半导体兼容性等优势出发，探索钠基磁性调控器件的应用潜力。

2）本研究构建了一种基于钠离子传输的电化学磁性调控器件，由含Na电解质隔开工作电极与金属Na对电极，恒电位仪控制两者间电压，促进电极间的Na⁺交换。研究0-3 V磁性调控特征，重点关注0-0.75 V低电压区间的自旋电容效应主导的磁性调控。

3）本研究选取的层状FeSe材料，因其独特的结构特性，可以促进Na⁺高效嵌入/脱出。通过“层间嵌入-转化反应”的两步过程，解决了Na⁺半径大，动力学缓慢等问题，从而实现了大幅度磁性调控。

图文解析

通过XRD和TEM测试结果表明，所制备材料具有典型的四方相β-FeSe晶体结构特征。循环伏安曲线（CV）揭示了FeSe电极在0-3 V电压范围内展现出良好的电化学可逆性。此外，原位XRD等高线图清晰地展示了材料在钠离子插入过程中的相演变过程，证实了“嵌入-转化”的两步反应过程。

图1. 钠离子引入FeSe材料后的相变过程及结构和电化学特性

FeSe在不同模式下电压调控磁响应特性。在0-3 V全电压范围内，恒流充放电测试结果显示，该材料在高电压区（>0.75 V）表现出铁磁开关特征；在低电压范围内（0–0.75 V），磁化强度与电压呈近似线性关系，且具有高度可逆性，磁化调制幅度稳定在0.25 µ_B Fe^-1，且无明显衰减。此外，循环伏安测试进一步证实了磁化强度对电压的可逆性和稳定性。

图2.在不同工作模式下电压调控的原位磁响应

通过CV测试，表明在0–0.75 V范围内，电容行为占主导地位，电容贡献可达92%。低电压下的界面电荷行为经热力学拟合，符合空间电荷效应预期。磁化变化与Fe的自旋极化态密度有关，计算得出Fe表面的自旋极化约为-47%，验证了自旋电容效应对磁性变化的解释。证实了在低电压下，FeSe材料的磁性变化主要由Fe纳米颗粒表面的自旋极化电荷调控。

图3. FeSe材料在低电压区域的磁性调控机制

磁滞回线（M-H曲线）测量显示，完全钠化后的样品展现出超顺磁性行为，平均Fe颗粒尺寸约为1.50 nm，饱和磁化强度（M_s）约为90 emu g^-1，表明FeSe几乎完全转化为Fe。XPS分析表明，放电至0 V时Fe²⁺被还原为Fe⁰，且在0–0.75 V范围内Fe⁰的化学状态稳定。HRTEM图像揭示了放电和充电过程中Fe和Na₂Se纳米复合材料的晶格结构变化。这些结果表明，大幅度的磁性变化源于Fe和Na₂Se纳米复合材料的产率高。

图4. FeSe材料在不同电压状态下的磁性能和结构特性

鉴于自旋电容磁调控技术有望整合静电掺杂与离子调控的双重优势，对其潜在应用价值的评估不仅需要考察磁化强度的显著变化，还必须系统表征响应速度、耐久性及非易失性等关键器件参数。经过150次脉冲电压循环测试，结果表明磁化强度的变化具有优异的可逆性和稳定性。此外，磁化强度状态在断电后超过10小时内保持稳定，证明了其非易失性特性。

图5. 0-0.75 V电压区间内基于自旋电容效应调控的实时磁响应特性

总结与展望

我们构建了一套基于层状FeSe中钠离子迁移的电化学系统，实现了可逆的电压调控磁响应。通过采用原位磁测量技术，在室温下实时监测了器件饱和磁化强度的变化。研究发现，该系统在0-3 V电压范围内会发生非磁性FeSe与铁磁性Fe之间的相变，从而实现铁磁态的“开关”转换。特别在低电压区间，观测到高达12.70 emu g^-1的异常磁化强度变化，这归因于自旋电容效应，我们认为这是由空间电荷区在Fe-Na₂Se纳米粒子复合材料界面处形成所导致的自旋电容效应。这种效应源于在电压控制下自旋极化电子在该空间电荷区的积累和释放。在0-0.75 V低电压区间的详细研究表明，这种界面电容诱导的磁化强度调制表现出高度可逆和准线性行为，具有可靠的耐久性和快速响应，以及磁化状态的非易失性。此外，我们旨在通过在层状FeSe 中分两步引入钠来完全形成Fe纳米颗粒，以解决器件设计中反应动力学缓慢的问题。这些发现为一种有前景的钠离子磁性控制器件开辟了道路，该器件与类脑模拟和半导体集成具有出色的兼容性，并且具备速度、可逆性、非易失性、低功耗和成本效益等优点。

课题组介绍

李强教授课题组主页： https://www.x-mol.com/groups/li_qiang

原文信息

Yu Feng, Yahui Li, Xixiang Xu, Zeyuan Bu, Jixiang Yin, Dong Yang, Jiachen Liu, Lihao Qin, Keqiang Li, Fei Wang, Yi Zhou, Lang Zhou, Yutao Chang, Jia Li, Dong‐Yun Chen, Qiang Li,Significant Spin‐Capacitive Modulation of Magnetism Through Na⁺ Motion in Layered FeSe. Advanced Functional Materials.2025,2500234.