中科院寧波材料所Nano Lett.: 二維鐵磁材料的磁控電子結構效應

【引言】

施加外磁場可以調控磁性材料的電極化、光偏振、溫度、幾何形狀等宏觀物性，即實現磁電、磁光、磁熱、磁彈等效應。這些效應是構成磁性功能器件如磁探測儀、磁光克爾儀、磁制冷機等的物理基礎。考慮到材料的宏觀物性與微觀電子結構有著密切關系，最直觀的想法是通過磁場直接調控電子能帶結構，從而改變材料的電學及光學等特性。在外磁場的作用下，原本簡并的電子自旋態會產生Zeeman能級劈裂。然而這是一個微小的能量量級，如1特斯拉的巨大磁場（約地磁場的三萬倍）只能產生10^-4 eV的微小能級劈裂，遠小于室溫下的熱漲落3×10^-2 eV，因此無法用于器件設計及應用。

【成果簡介】

近日，中科院寧波材料所鐘志誠研究員團隊和荷蘭特文特大學廖昭亮博士（共同通訊）聯合在Nano Letters上發表了題為“Spin Direction-Controlled Electronic Band Structure in Two Dimensional Ferromagnetic CrI₃”的研究論文。該研究提出了一種新型的磁控電子結構效應：通過外磁場調控磁化方向，借助于自旋軌道耦合，實現電子能帶結構的巨大改變。理論預測該效應中外磁場對電子能帶結構的能量調控可以高達10^-1 eV，比經典的Zeeman效應大了三個數量級，高于室溫下的熱漲落，可用于設計新型的磁電、磁光器件。

研究人員首先采用模型分析，發現在具有低對稱性、強自旋軌道耦合和長程鐵磁序的材料中，通過施加外磁場改變磁化方向，借助于自旋軌道耦合，可以實現能帶結構的巨大改變（如圖1所示）。但困難在于一直缺乏滿足以上條件的材料體系，直到最近發現的二維鐵磁材料才完美的符合以上條件。研究人員以二維鐵磁材料CrI₃為例，采用第一性原理計算，預測該材料具有巨大的磁控電子結構效應（如圖2所示）。當磁化方向從面外調控到面內時，電子能帶結構會從直接帶隙轉變為間接帶隙，費米面也會發生變化（如圖3所示）。此外，磁化方向的改變還可以驅動拓撲相變。這些顯著的能帶變化會改變光學、電輸運性質。例如，可以利用磁場調控磁化方向從而控制熒光效應。另外，費米面的變化會誘導出巨大的各向異性磁阻，拓撲相變會改變材料的表面態的拓撲特性（如圖4所示）。這些理論預言的功能性質的變化未來可以通過進一步的實驗證實。

寧波材料所的蔣沛恒博士和李磊博士為該論文的共同一作，南京大學的趙宇心教授參與拓撲部分的討論。

【圖文導讀】

圖1：Zeeman效應和磁控電子結構效應示意圖。

(a) Zeeman效應示意圖，能量劈裂ΔE₁~10^-4 eV；

(b)-(c) 采用模型計算得到的自旋分別沿垂直和平行材料平面方向的能帶結構，其中能量劈裂的該變量ΔE₂~10^-1 eV，高于Zeeman效應約三個數量級。

圖2：單層CrI₃自旋分別沿垂直(M//c)和平行(M//a)材料平面方向時的能帶結構。

圖3：電子或空穴摻雜對單層CrI₃中和磁化方向相關的費米面的調控。

(a) M//c的電子摻雜；(b) M//a的電子摻雜；(c) M//c的空穴摻雜；(d) M//a的空穴摻雜。

圖4：和能量及動量相關的局域態密度沿zigzag方向的投影。

(a) M//c的局域態密度，藍色箭頭處為表面態；(b) M//a的局域態密度。

【小結】

該論文提出了一種全新的磁控電子結構效應，即通過施加外磁場改變磁化方向，實現對能帶結構的巨大改變，進而調控一系列相關的電子特性。利用該效應，可以制備出新型的自旋電子器件及磁電、磁光器件。此外，該效應需要滿足低對稱性、強自旋軌道耦合、長程鐵磁序三個條件，基于以上條件進行搜尋，有望發現更多具有磁控電子結構效應的材料體系。

【致謝】

感謝國家重點研發計劃(2017YFA0303602)、國家自然科學基金(11774360)及寧波市3315創新團隊對本項目的支持，所有的數值計算在寧波材料所超算中心進行。

文章鏈接：Spin Direction-Controlled Electronic Band Structure in Two Dimensional Ferromagnetic CrI₃ (Nano Lett. 2018, 18, 3844-3849)

本文由蔣沛恒博士供稿。

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