综述：面向传感技术的二维磁性材料
2026-06-06 11:19:37   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

二维（2D）磁性材料因其原子级厚度、可调的磁学特性以及与范德华异质结构的兼容性，已成为下一代传感技术极具潜力的平台。在材料发现、合成和器件集成方面的快速进展，为紧凑型、低功耗且高灵敏度的传感器平台拓展了更多机遇。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国加州大学默塞德分校（UC Merced）在Sensors期刊上发表了题为“2D Magnetic Materials for Sensor Technologies”的综述文章。文中探讨了二维磁性材料所实现的多种传感机制，重点介绍了近期的实验进展和新兴的器件概念。结合现阶段研究现状，文中探讨了环境稳定性、可扩展性、室温工作等现有的局限与挑战。通过梳理这些技术路径，本文旨在阐明二维磁性材料在传感技术领域的现状及发展潜力。

论文摘要附图

隧穿磁阻（TMR）

隧穿磁阻（TMR）是一种量子输运效应，最常见于磁隧道结（MTJ）中，它是现代自旋电子技术中必不可少的构建单元。在典型的磁隧道结中，两个铁磁电极由超薄的绝缘或半导体势垒层隔开，允许电子隧穿。在这种结构中，结电阻由两个铁磁电极磁化的相对取向决定：当两者磁化方向一致（平行）时，电阻较低，当两者磁化方向相反（反平行）时，电阻较高。

基于隧穿磁阻的器件已成为新兴存储与逻辑技术的核心。由于磁隧道结的不同电阻状态在无持续供电下也能保持稳定，因此这类器件提供了一种固有的非易失性信息存储方式，构成了磁随机存取存储器（MRAM）及相关自旋逻辑概念的基础。此外，由于磁场能改变这些器件的磁构型，最终导致电阻的可测量变化，因此磁隧道结可被集成到器件中，用于磁场传感。

范德华异质结构的最新进展为实现自旋依赖隧穿提供了新途径。传统的薄膜（准二维）磁隧道结通常存在界面粗糙、在尺寸减小时性能下降等问题，与之相比，二维磁性材料提供了原子级平坦的表面和高度均匀的势垒厚度。这些特征最大限度地降低界面无序，并支持相干自旋依赖隧穿，从而改善纳米器件性能。

磁电（ME）效应

多铁性材料是一类表现出两种或多种铁性序（例如铁电性、铁磁性、反铁磁性或铁弹性）的材料。在这类材料中，这些铁性序可能发生强耦合，从而产生新的效应。如果一种多铁性材料同时具有铁电性和铁磁性，并且具有足够强的耦合，则可能表现出磁电（ME）效应，即外部磁场可调制电极化（或诱生电压），或外部电场可诱导出磁化。这种相互作用为磁电材料开辟了从传感器、振荡器到存储器件和滤波器等多种应用。

虽然存在本征的单相磁电材料，但其居里温度通常远低于室温，并且无法实现较高的本征磁电耦合。在单相材料内实现铁电极化与磁化的耦合是十分困难的，因为铁电性通常需要空的d轨道，而磁性则依赖部分填充的d轨道。因此，研究人员通过合成磁电复合材料来诱导磁电的外在耦合。在磁电复合材料中，两种材料本身都没有表现出磁电效应；相反，它们相互作用以产生磁电效应。磁电复合材料中的铁电材料和铁磁材料之间的耦合是由应变介导的，具体而言，铁磁材料表现出磁致伸缩特性，而铁电材料则表现出压电特性。

自旋轨道力矩（SOT）

自旋轨道力矩（SOT）是指当电流通过铁磁体-重金属异质结构时，作用于铁磁体磁化方向上的力矩。在这种系统中，强自旋轨道耦合将电荷电流转化为横向自旋电流，进而对铁磁层施加力矩。两种效应同时出现可以导致这种力矩：体自旋霍尔效应和界面Rashba-Edelstein效应，这是由于界面处的反转对称性被破坏造成的，这两种效应通常分别导致阻尼型自旋轨道力矩和类场型自旋轨道力矩。这两种效应对总自旋轨道扭矩的贡献程度仍是一个未解之谜，其取决于材料和界面特性。无论如何，这种相互作用能够引发可测量的效果，可用于传感应用。

反铁磁共振（AFMR）

当铁磁体置于外部磁场中时，其净磁化会围绕磁场方向发生进动。这种现象被称为铁磁共振（FMR），通常发生在GHz范围内的微波频率下，使铁磁体既可作为GHz频段的发射源，也可作为探测器。

相比之下，反铁磁体包含多个自旋子晶格，在平衡状态下其磁矩相互抵消。这些子晶格之间强烈的交换耦合产生了10²-10³ T量级的有效交换场，从而将反铁磁共振（AFMR）的特征频率推至太赫兹波段。因此，反铁磁共振为开发紧凑型THz频率源和探测器提供了可能——这些能力在技术上仍然有限。

场依赖磁导率

场依赖磁导率为磁传感提供了一种相对简单且直接的机制，其利用电感或阻抗响应的变化。通过将原子级薄的铁磁芯集成在谐振检测架构中，这种器件可在较小体积内实现高灵敏度传感，推动二维磁传感器的紧凑化。与更复杂的自旋电子学方法相比，这种方法提供了简单的读出方案，并具备与传统电路架构兼容的潜力。

磁光响应

磁光响应作为一种耦合磁自由度和光自由度的机制，实现了多功能传感能力。通过将磁检测与光学读出相结合，这种器件为集成传感和处理平台提供了一条途径，包括机器视觉和自适应光电系统。与前面讨论的主要电耦合和磁耦合传感机制相比，这种方法引入了磁信号和光信号之间的直接耦合，与早期方法相比，引入了额外的传感模式。与此同时，器件性能取决于材料选择和异质结构设计，这可能会给大面积应用带来挑战。材料合成和器件集成方面的持续进步对于充分发挥磁光传感平台的潜力至关重要。

利用磁光响应的光电探测器

磁振子辅助光电导

磁振子辅助光电导为通过光学手段检测磁激发提供了一条途径，将自旋动力学和电荷输运联系起来。特别是，二维反铁磁体中的磁振子辅助过程使得自旋敏感光电探测成为可能，并为磁活性光电功能提供了机会。然而，这种方法仍处于早期发展阶段，面临着与有限的载流子传输、缓慢的响应时间以及需要在内尔（Néel）温度以下低温运行相关的挑战。进一步的进展将需要提高载流子传输和响应速度，同时使其能够在更实际的条件下运行，以支持高效的光电探测应用。

自旋力矩二极管效应

基于自旋力矩二极管的传感通过自旋动力学的整流，为检测高频信号提供了一条途径，兼具灵敏度与紧凑的器件设计。这种系统在微波探测和信号处理应用中尤为具有吸引力，因为其频率可调性可以被充分利用。然而，这些器件的性能仍然受到一些限制的影响，导致当前实现方案中的检测性能受限。未来的发展将取决于如何解决这些问题，以在实际应用中实现可靠且高效的高频传感。

磁致伸缩

研究人员展示了磁致伸缩纳米机电系统通过耦合磁自由度和机械自由度进行传感应用的潜力，能够通过频移和机械共振实现检测。这些器件具有高灵敏度，并有可能在一个平台内集成多种传感模式。然而，它们的运行通常需要低温和复杂的制造工艺，限制了其可扩展性和实际部署。未来的进展将取决于在更实际的条件下运行，同时保持灵敏度和功能性，以及开发支持可靠和可扩展器件的制备方法。

总结与展望

展望未来，随着关键材料和器件挑战的解决，二维磁性材料的应用前景有望大幅扩展。在短期内，小型化、高灵敏度磁场传感应用（包括生物医学仪器和可穿戴电子设备）是特别有前景的发展方向，因为原子级薄的材料能够实现近距离检测并提高信噪比。柔性和低功耗传感平台有望进一步实现连续监测与人机交互。同时，磁功能与光学、电子自由度的集成，为能够同时实现传感、存储和信号处理的多功能器件开辟新路径，并已在机器视觉和感内计算架构中展现出巨大潜力。在这种情况下，传感机制的选择很可能取决于在灵敏度、工作条件和器件复杂度之间所需的平衡，不同的方法根据目标应用的不同而各具优势。在更高频率方面，基于反铁磁共振和自旋-扭矩效应的概念为紧凑型GHz和THz探测器及信号处理技术提供了机会，尽管这些仍属于长期发展的前景。要弥合这些实验室演示与实际系统之间的差距，需要在材料稳定性、界面工程以及大面积集成的可扩展制造方面持续取得进展。此外，实现这些应用还有赖于开发出能够在环境条件下可重复、可靠工作的器件架构。

总体而言，过去十年所取得的快速进展表明，二维磁性材料有望在未来传感器技术中发挥越来越重要的作用。通过将极端小型化与丰富的可调性和异质结构兼容性相结合，这些材料为开发超灵敏、多功能的传感系统提供了多功能平台，适用于从可穿戴电子设备和生物医学仪器到高频通信以及智能机器视觉硬件等广泛的应用领域。

论文链接：https://doi.org/10.3390/s26082467

延伸阅读：

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