近日，我校材料与环境工程学院、浙江省高端电机能量转换关键材料重点实验室胡亮、张雪峰教授团队在铁基磁性半导体光电功能调控方面取得重要进展。相关成果以“Giant Bulk Photovoltaic Effect in an Iron-Based Magnetic Semiconductor”为题发表于国际知名期刊Nature Communications。
我校为论文第一完成单位，成明亮、王政、姬靖宇为共同第一作者，胡亮、张雪峰教授为共同通讯作者。磁性半导体是发展自旋电子学、磁光探测、自供能传感和智能感知系统的重要材料基础。然而，高效光电转换通常需要半导体输运和有效的光生载流子分离机制，而强铁磁性往往依赖巡游电子或金属性能带结构，二者长期难以在同一材料中兼得。如何在室温磁性材料中实现高效、自驱动、可调控的光伏响应，是该领域的重要挑战。
该工作以铁基层状范德华磁性材料Fe3GaTe2为研究对象，提出氧等离子体注入诱导对称性破缺与电子结构重构的新策略。研究发现，层内氧注入能够局域化Fe的巡游d电子，诱导材料由金属性铁磁体转变为p型磁性半导体；同时，氧诱导的局域结构畸变和电荷转移打破反演对称性，形成非中心对称极性结构，为体光伏效应的产生提供了基础。此外，氧原子还可参与构建Fe-O-Fe间接磁交换路径，使材料在半导体化过程中仍保持室温铁磁特征。
实验结果显示，氧等离子体处理后的p-FGaT器件在零偏压下表现出宽谱自驱动光电响应，响应范围覆盖近紫外、可见光到近红外波段。在520 nm光照下，器件短路光电流密度接近30 A cm–2，体光伏系数最高达到0.25 V–1，展现出优异的光电转换性能。器件还具有快速响应和良好稳定性，为自供能光电探测提供了新的材料选择。
进一步研究表明，该器件的体光伏光电流可被低磁场线性调控，磁场调制灵敏度达到1.30±0.01 A W–1 T–1。基于这一特性，团队构建了磁场可编程神经网络硬件模拟框架，实现了图像特征分离与图像修复的概念验证，展示了其在磁场可编程感知、传感器内计算和智能视觉系统中的应用前景。
该研究围绕“高效光电转换与室温磁有序难以兼容”这一关键问题，实现了Fe3GaTe2电子结构、晶格对称性和磁交换作用的协同调控，不仅拓展了铁基范德华磁性材料的功能边界，也为自供能磁光探测、低功耗磁场传感和类脑感知器件的发展提供了新的思路。
图1.氧等离子体植入Fe3GaTe2的结构调控、对称性破缺与室温磁性表征。(a）氧等离子体植入Fe3GaTe2示意图；(b）氧诱导极性结构形成机制；(c）氧处理前后Fe3GaTe2的偏振SHG对比；(d）i-FGaT/p-FGaT双区域器件光学图像；(e）i-FGaT与p-FGaT界面截面STEM图像；(f）氧诱导的局域应变分布；(g）氧处理前后Raman光谱变化；(h）p-FGaT室温磁畴结构；(i）i-FGaT与p-FGaT室温MOKE磁滞回线。
