Nature Materials：二維范德華磁體的電場翻轉

【引言】

用純電學手段控制磁性是下一代信息技術的關鍵挑戰之一。之前人們已經在一些材料系統探索了用電場控制磁性的可能性，包括鐵磁（FM）金屬、稀磁半導體、多鐵性和磁電（ME）材料. 而最近發現的二維（2D）范德華磁體為通過范德瓦爾斯異質結構器件平臺在納米尺度上對磁性進行電控制開辟了一扇新的大門。

【成果簡介】

近日，來自Cornell University的物理系的麥建輝(通訊作者)和應用與工程物理學院的單潔 (共同通訊作者)聯合團隊的姜生偉（第一作者）在 Nature Materials發表了題為Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章，首次在晶體結構為中心反演對稱的雙層CrI₃中發現了完全由自旋序(spin order)控制的磁電耦合效應，并且磁電耦合系數達到了110ps/m，超過了絕大多數單相磁電耦合材料。由于巨大磁電耦合系數,外加較小電壓就能產生30%的飽和磁矩，利用該效應可以實現對材料磁性連續可逆地產生與翻轉。該文章被nature materials新聞觀點作為亮點報道。

【圖文導讀】

圖1：雙層CrI₃的晶體結構和磁性相圖

a: 單層CrI₃的頂視圖與側視圖；

b: AFM雙層CrI₃由具有反鐵磁層間耦合的兩個FM單層組成；

c: 溫度與的磁場的函數，插圖描繪了不同磁場下雙層CrI₃的磁性基態；

d: 雙層CrI₃中的磁序的相圖。

圖2：AFM雙層CrI₃中的線性磁電效應

a: MCD信號作為磁場在4K的代表性電場下的函數；

b: 面磁矩的相對和絕對變化；

c: 自旋翻轉相變的臨界磁場和施加電場函數。

圖3：雙層和單層CrI₃的磁電響應

對于雙層CrI₃，通過在0.8V nm^-1和0V nm^-1下減去M-H曲線獲得ME響應。然后通過電場差異對其進行歸一化，黑色和紅色實線分別是磁場的前向和后向掃描。對于CrI₃單層，在0.34 V nm^-1和-0.34 V nm^-1下減去M-H曲線獲得的。

圖4：雙層CrI₃中磁順序的電切換

a: 磁化M（右）和標準化的磁化M/Mo（左）作為施加電場E下的函數；

b:在恒定磁場（0.44T）下周期性施加電場來重復切換磁順序。

【小結】

該團隊在AFM雙層CrI₃中觀察到大的線性ME效應，其使材料中的磁性的電控制成為可能。在AFM-FM自旋翻轉相變附近，已經使用場效應器件證明了磁序的可逆電場切換。他們的研究結果證明了2D范德華磁體在電控非易失性存儲器、自旋電子和電子器件應用的獨特潛力。

文獻鏈接：Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets（Nature Materials.2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0040-6）

Nature Materials對此的評論：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0064-y

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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