Nature子刊：鐵谷材料及其反常霍爾效應

【引言】

自石墨烯發現以來，谷電子學的概念就吸引了研究者極大的關注。與電子學和自旋電子學中電子的電荷和自由度類似，谷電子學中的谷自由度也具有二元態。這直接導致了很多新現象的發現，并提供了其在信息存儲領域應用的可能性。在谷電子學材料中，2H相的單層過渡金屬硫化物（TMDs）在應用領域和有效調控谷指數方面是最具前景的。至于中心對稱的石墨烯，空間反演對稱對2H相TMDs會導致谷霍爾效應和谷依賴的光學選擇規則的產生。尤其是對于重過渡金屬，其中固有的電子自旋軌道耦合和非中心對稱的共同作用會使得電子自旋和谷自由度之間發生強烈的耦合。對很多TMDs單層材料來說，因為其中的谷并非極化，所以不能直接應用于信息存儲領域。類比于順電性和順磁性材料，它們可稱為順谷性材料。所以，谷電子學中的關鍵挑戰就在于打破谷之間的簡并，并使之極化。目前，人們已經使用了力場、電場、磁場或者光場來使材料中的谷發生極化，然而，這些方法的致命缺陷就在于外加場的撤離會使材料回到順谷狀態，無法長久保持。因此，尋找一種可以自發谷極化的材料就成為解決問題的關鍵。

【成果簡介】

最近，來自華東師范大學的段純剛教授（通訊作者）等人發現了多鐵體材料中的新成員——鐵谷體，并對其在信息存儲領域的應用以及反常霍爾效應方面的性質進行了深入的研究，其研究成果以“Concepts of ferrovalley material and anomalous valley Hall effect”為題發表在2016年12月16日的Nture Communications上。

文中結合k.p模型和第一性原理計算研究了2H相的單層VSe₂材料，結果表明，其中同時存在著電子自旋耦合和內秉交換作用，并且，2H相的單層VSe₂是一種室溫的鐵谷材料。此外，實驗還進步預測此系統可以證明諸如手性依賴的光禁帶和反常霍爾效應等現象。文章最后還展望了其在非易失性隨機存儲器和谷過濾器方面的應用。

【圖文導讀】

圖1 2H相的單層材料中K₊和K_-處的能帶結構

（a）無自旋軌道耦合（SOC）效應

（b）有自旋軌道耦合（SOC）效應

（c）自旋軌道耦合（SOC）效應和正交換場共同作用

圖2 單層的2H相VSe₂的能帶結構

（a）有SOC效應無鐵磁性

（b）有磁矩無SOC效應

（c）既有磁矩又有SOC效應

（d）既有磁矩（無相反磁矩）又有SOC效應

圖3 單層VSe₂介電函數的虛部

（a）在正磁矩作用下

（b）在相反磁矩作用下

圖4 單層的2H相VSe₂內的能帶比較及其貝里曲率

（a）分別由k.p模型和第一性原理得到的能帶比較

（b）k空間的貝里曲率等高線

（c）k點得到的貝里曲率總和及其對正谷極化的空間反演

（d）k點得到的貝里曲率總和及其對負谷極化的空間反演

圖5 基于空穴摻雜的鐵谷材料在反常霍爾效應作用下的信息存儲圖

圖中“+”標注的載流子為空穴，紅色向上和藍色向下的箭頭分別代表自旋向上和自旋向下的載流子

【小結】

本文研究了以2H相VSe₂為代表的單層過渡金屬硫族化物的自發自旋極化性質，提出了鐵谷體的新概念，擴充了多鐵體材料的種類，并對其基于反常霍爾效應的存儲特性進行了研究，指出了其作為未來非易失性存儲材料的應用前景，為存儲工業未來的發展提供了新的可能。

文獻鏈接：Concepts of ferrovalley material and anomalous valley Hall effect（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms13612）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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