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合肥研究院丨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獲進展

中國科學院合肥物質研究院固體物理研究所計算物理與量子材料研究部研究員鄭小宏課題組與愛爾蘭都柏林圣三一學院教授Stefano Sanvito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中獲進展。相關研究成果以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重要課題。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候選材料,引起廣泛關注。
其能帶特征表現較獨特,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。這些特性使此類體系可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,實驗上難以實現。因此,尋找新的調控手段在二維A型vdW反鐵磁半導體中實現半金屬性具有重要意義。

為此,研究人員提出一種基于A型vdW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。研究發現,在鐵電夾層的作用下,VSe2雙層呈現出半金屬性,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會相應地發生轉變。這種特殊行為可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解釋。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。研究表明,利用二維面外極化鐵電材料來調制A型vdW反鐵磁體,不僅可獲得半金屬性,而且在鐵電存儲器方面展現了重要的應用前景。

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

合肥研究院丨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獲進展

圖1. 鐵電調制A型vdW反鐵磁體半金屬性的原理示意圖

合肥研究院丨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獲進展

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

合肥研究院丨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獲進展

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

論文鏈接?:

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

文章來源:合肥物質科學研究院

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