固體所在鐵電調控二維反鐵磁體的半金屬性研究方面取得新進展

發表時間: 2020-12-18 作者:姜朋

近日,固體所計算物理與量子材料研究部鄭小宏研究員課題組與都柏林圣三一學院Stefano Sanvito教授合作,在利用二維鐵電材料調控二維A型反鐵磁材料的半金屬性研究方面取得新的進展。相關結果以Ferroelectric control of electron half-metallicity in A-type antiferromagnets and its application to nonvolatile memory devices為題發表在 Physical Review B期刊(Phys. Rev. B 102, 245417 (2020) )上。

實現具有完全自旋極化特征的半金屬性(half-metallicity)是凝聚態物理和自旋電子學中一個非常重要的課題。近年來,二維雙層A型反鐵磁半導體,也就是層內表現為鐵磁序而層間表現為反鐵磁序的雙層van der Waals (vdW)磁性材料為自旋電子器件提供了重要的候選材料,因而引起了人們的廣泛關注。其能帶特征表現十分獨特,即兩種自旋的能帶簡并;對于每個自旋通道,其價帶和導帶局域分布在不同的層上;同時,每個能帶中兩種自旋的態也分布在不同的層上。以上特性使得此類體系可以利用外加電場方式實現半金屬性。然而,外電場調控方案所需臨界電場過大,以至于實驗上難以實現。因此,尋找新的調控手段在二維AvdW反鐵磁半導體中實現半金屬性具有重要的意義。

為此,研究人員提出了一種基于AvdW反鐵磁體VSe2雙層體系和具有面外極化的二維鐵電材料Sc2CO2構建的多鐵異質結。結果發現,在鐵電夾層的作用下,VSe2雙層呈現出半金屬性,并且導電的自旋極化態局域分布在雙層VSe2中的一層上。此外,通過改變鐵電夾層的極化方向,半金屬態的自旋極性和空間分布也會相應地發生轉變。這種特殊行為可以用自發電極化誘導的內建電場和界面電荷轉移等物理機制很好地解釋。同時,基于以上異質結所展示的特殊性質,研究人員設計了兩種具有巨電致電阻比的新型鐵電存儲器件模型。這些結果充分表明,利用二維面外極化鐵電材料來調制AvdW反鐵磁體,不僅可以獲得半金屬性,同時在鐵電存儲器方面也展現了重要的應用前景。

本研究工作得到國家自然科學基金和國家留學基金委的資助,相關計算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章鏈接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.245417


1. 鐵電調制AvdW反鐵磁體半金屬性的原理示意圖:AvdW反鐵磁體在(a)未堆疊和(c)堆疊鐵電夾層作用的自旋極化態密度;(b)基于AvdW反鐵磁體和二維面外極化鐵電材料的多鐵異質結示意圖。


2. VSe2/Sc2CO2多鐵異質結的兩種極化構型(P↑↑P↓↓)的原子結構以及對應的層投影的自旋分辨能帶圖。

3. 基于VSe2/Sc2CO2多鐵異質結構建的新型鐵電存儲器件示意圖。

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