AFM:二維鐵磁體的非易失性電控制和異質界面誘導的半金屬性

【引言】

鐵磁作為物理學的基本概念，是磁存儲和許多電子設備的基礎。自石墨烯發現以來， 原子厚度的范德華（vdW）材料一直處于材料研究的前沿。幾乎所有體材料的凝聚態行為，如超導、半導體、半金屬和鐵電等，都已經在二維vdW材料中被觀測到。然而，一直到2017年，二維鐵磁性才在雙層Cr₂Ge₂Te₆和單層的CrI₃中被觀測到。

二維鐵磁材料的研究主要集中在兩個方向：（ⅰ）探索新的高性能vdW鐵磁體，如高遷移率的鐵磁半導體，寬自旋間隙的半金屬，和高居里溫度的鐵磁體等；（ii）對于實驗上已知的vdW鐵磁體，開發新的應用， 如實現原子厚vdW鐵磁體的合理控制。

電控制是調制原子厚vdW鐵磁體的有效策略。然而，現行方法具有易失性，即需要持久的施加電控制，否則由電控制誘導的狀態很難維系。這不僅導致能量的過度消耗，而且還阻礙了vdW鐵磁體在非易失性磁電納米器件中的應用。

在三維塊體材料中，多鐵性異質結構是實現磁性和電性的非易失性耦合的最有效策略之一。這種策略對原子厚度的二維鐵磁體是否也有效呢？鐵電材料具有雙穩定極化狀態P↑和P↓，鐵電材料在這兩種極化狀態之間的電轉換是非易失性的，也就是說，即使移除外部電場，相應的極化狀態也會得以保留。原則上，如果多鐵性異質結構中的二維鐵磁體與鐵電的P↑和P↓狀態有耦合，那么，二維鐵磁體的電控制也將是非易失性的。

在上面思路指引下，美國波多黎各大學陳中方教授（通訊作者）課題組通過密度泛函理論（DFT）計算，證實利用鐵電材料作為輔助層可以有效實現二維鐵磁體的非易失性電控制。具體來講， 當鐵磁單層CrI₃和鐵電MXene Sc₂CO₂一起形成多鐵性異質結構時，P↑?Sc₂CO₂不會改變CrI₃的半導體性質，但P↓?Sc₂CO₂會使CrI₃成為半金屬。因此，利用兩個相反的鐵電極化狀態之間非易失性的轉變，可以間接地實現CrI₃鐵磁半導體和半金屬之間的非易失性電控制。值得強調的是，CrI₃中由異質界面誘導的半金屬性具有本征性，不需要任何化學修飾或物理改性，這對實際應用是相當有利的。這項工作為二維vdW鐵磁體的非易失性電控制和CrI₃在半金屬基納米電子器件中的應用鋪平了道路。相關研究成果以“Nonvolatile Electrical Control and Heterointerface-Induced Half-Metallicity of 2D Ferromagnets”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、二維鐵磁體電控制示意圖

（a，b）原子厚vdW鐵磁體易失性（a）和非易失性（b）的電控制的示意圖;

（c，d）單層CrI₃（c）和MXene Sc₂CO₂（d）的頂視圖和側視圖，其中I，Cr，Sc，C和O原子分別用深紅色，藍色，白色，灰色和紅色表示;?

（e，f）CrI₃和P↑（e）與P↓（f）Sc₂CO₂組成的異質結構。

圖二、能帶結構

（a-f）CrI₃（a）和MXene Sc₂CO₂（b）電子能帶結構以及CrI₃/P↑ Sc₂CO₂（c，d）和CrI₃/P↓ Sc₂CO₂（e，f）異質結構對應的電子能帶結構。紅線和綠線分別表示CrI₃的自旋向上（S↑）和向下（S↓）的貢獻，而藍線表示MXene Sc₂CO₂的貢獻。E_F代表費米能級。

圖三、鐵磁半導體到半金屬轉變的內在機制

（a）S↑?CrI₃，S↓?CrI₃，P↑?Sc₂CO₂和P↓?Sc₂CO₂相對于真空能級E_vac的帶邊以及半導體到半金屬轉變的內在機制示意圖；

（b）單個CrI₃和MXene Sc₂CO₂的xy平面平均靜電勢；

（c，d）CrI₃/Sc₂CO₂異質結構的差分電荷密度分布和差分電荷密度的積分，其中紅線代表在xy平面密度的積分，而黑線是沿z方向的紅線的積分；

（e，f）CrI₃/P↑ Sc₂CO₂（e）和CrI₃/P↓ Sc₂CO₂（f）異質結構的電荷轉移（黑線），其中紅線和藍線分別為自旋向上和自旋向下的貢獻。

圖四、可能的應用：CrI₃接觸的Sc₂CO₂場效應晶體管（FET）

（a）CrI₃接觸的Sc₂CO_2?FET模型；

（b）金屬電極（CrI₃/P↓ Sc₂CO₂異質結構）的費米能級和半導體Sc₂CO₂的價帶頂?（VBM）；

（c，d）半導體Sc₂CO₂的價帶（VB）（c）和?導帶（CB?）；

（e）半導體Sc₂CO₂的空穴（藍色）和電子（紅色）遷移率與溫度的關系。

圖五、可能的應用：原子厚CrI₃/Sc₂CO₂多鐵存儲器

（a，b）原子厚CrI₃/Sc₂CO₂多鐵存儲器模型。數據寫入取決于鐵電Sc₂CO₂，數據讀取是基于鐵磁CrI₃與鐵電Sc₂CO₂的極化態P↓（a）和P↑（b）之間的耦合所引起的不同電信號或光信號。

【小結】

在本文中，通過DFT計算，表明在CrI₃/Sc₂CO₂多鐵性異質結構中，鐵磁CrI₃單層與鐵電Sc₂CO₂的P↑和P↓態存在耦合。當與P↑ Sc₂CO₂接觸時，CrI₃保持半導體性，但當P↑電轉換為P↓?時，CrI₃變為半金屬。進一步的分析表明，CrI₃與鐵電Sc₂CO₂的極化狀態的耦合源自于鐵電體中被打破的空間反演對稱性；與P↓ Sc₂CO₂接觸時，鐵磁CrI₃的半金屬行為歸因于異質界面的電荷轉移和鐵磁體中被打破的時間反演對稱性。這項工作不僅提供了將二維鐵磁體調制成半金屬的有效方法（異質界面工程），而且提出了一種可行的途徑（引入鐵電材料作為輔助層），來實現二維鐵磁體的非易失性電控制。

文獻鏈接：“Nonvolatile Electrical Control and Heterointerface-Induced
Half-Metallicity of 2D Ferromagnets”(Adv. Funct. Mater，2019，DOI:10.1002/adfm.201901420 ?)

本文由CYM供稿，材料牛整理編輯。

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