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固体所在铁电调控二维反铁磁体的半金属性研究方面取得新进展

发表时间: 2020-12-18 作者:姜朋

近日,固体所计算物理与量子材料研究部郑小宏研究员课题组与都柏林圣三一学院Stefano Sanvito教授合作,在利用二维铁电材料调控二维A型反铁磁材料的半金属性研究方面取得新的进展。相关结果以Ferroelectric control of electron half-metallicity in A-type antiferromagnets and its application to nonvolatile memory devices为题发表在 Physical Review B期刊(Phys. Rev. B 102, 245417 (2020) )上。

实现具有完全自旋极化特征的半金属性(half-metallicity)是凝聚态物理和自旋电子学中一个非常重要的课题。近年来,二维双层A型反铁磁半导体,也就是层内表现为铁磁序而层间表现为反铁磁序的双层van der Waals (vdW)磁性材料为自旋电子器件提供了重要的候选材料,因而引起了人们的广泛关注。其能带特征表现十分独特,即两种自旋的能带简并;对于每个自旋通道,其价带和导带局域分布在不同的层上;同时,每个能带中两种自旋的态也分布在不同的层上。以上特性使得此类体系可以利用外加电场方式实现半金属性。然而,外电场调控方案所需临界电场过大,以至于实验上难以实现。因此,寻找新的调控手段在二维AvdW反铁磁半导体中实现半金属性具有重要的意义。

为此,研究人员提出了一种基于AvdW反铁磁体VSe2双层体系和具有面外极化的二维铁电材料Sc2CO2构建的多铁异质结。结果发现,在铁电夹层的作用下,VSe2双层呈现出半金属性,并且导电的自旋极化态局域分布在双层VSe2中的一层上。此外,通过改变铁电夹层的极化方向,半金属态的自旋极性和空间分布也会相应地发生转变。这种特殊行为可以用自发电极化诱导的内建电场和界面电荷转移等物理机制很好地解释。同时,基于以上异质结所展示的特殊性质,研究人员设计了两种具有巨电致电阻比的新型铁电存储器件模型。这些结果充分表明,利用二维面外极化铁电材料来调制AvdW反铁磁体,不仅可以获得半金属性,同时在铁电存储器方面也展现了重要的应用前景。

本研究工作得到国家自然科学基金和国家留学基金委的资助,相关计算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章链接:


1. 铁电调制AvdW反铁磁体半金属性的原理示意图:AvdW反铁磁体在(a)未堆叠和(c)堆叠铁电夹层作用的自旋极化态密度;(b)基于AvdW反铁磁体和二维面外极化铁电材料的多铁异质结示意图。


2. VSe2/Sc2CO2多铁异质结的两种极化构型(P↑↑P↓↓)的原子结构以及对应的层投影的自旋分辨能带图。

3. 基于VSe2/Sc2CO2多铁异质结构建的新型铁电存储器件示意图。