【引言】

最近，電摻的磁二維材料的雜控制DI中原子厚度和靜電摻雜提供了控制其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)來驅(qū)動(dòng)電子相變的獨(dú)特機(jī)會。二維磁性材料的性材發(fā)現(xiàn)開啟了磁性電氣控制的大門和為實(shí)現(xiàn)新功能器件拓寬了思路。雖然基于線性磁電效應(yīng)的料牛實(shí)驗(yàn)證明了通過電場控制雙層CrI₃中的磁序，這種方法僅限于非中心對稱材料在反鐵磁體-鐵磁體轉(zhuǎn)變附近磁偏置。電摻的磁

【成果簡介】

近日，雜控制DI中來自Cornell University的性材物理系的麥建輝(通訊作者)和應(yīng)用與工程物理學(xué)院的單潔 (共同通訊作者)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的姜生偉( 第一作者）、 李立中和王澤芳在Nat. Nanotech.發(fā)表了題為Controlling magnetism in 2D CrI₃ by electrostatic doping的料牛文章，通過靜電摻雜使用CrI₃-石墨烯垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制單層和雙層CrI₃的電摻的磁磁性，在單層CrI₃中，雜控制DI中摻雜改變了飽和磁化強(qiáng)度、性材矯頑力和居里溫度，料牛隨著空穴/電子摻雜而增強(qiáng)/減弱的電摻的磁磁序。在雙層CrI₃中，雜控制DI中在?2.5×10¹³cm^-2以上的性材電子摻雜可以在沒有磁場的情況下從反鐵磁基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁基態(tài)。結(jié)果表明依賴于摻雜的層間交換耦合，它可以通過小的柵極電壓實(shí)現(xiàn)雙層CrI₃中的磁化的穩(wěn)健開關(guān)。

該團(tuán)隊(duì)在二維磁性領(lǐng)域不久前還在nature materials上發(fā)表了題為Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章, 首次在晶體結(jié)構(gòu)為中心反演對稱的雙層CrI₃中發(fā)現(xiàn)了完全由自旋序(spin order)控制的磁電耦合效應(yīng), 并且磁電耦合系數(shù)達(dá)到了110ps/m, 超過了絕大多數(shù)單相磁電耦合材料.由于巨大磁電耦合系數(shù),外加較小電壓就能產(chǎn)生30%的飽和磁矩.利用該效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對材料磁性連續(xù)可逆地產(chǎn)生與翻轉(zhuǎn). 該文章被nature materials新聞?dòng)^點(diǎn)作為亮點(diǎn)報(bào)道。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：2D CrI₃場效應(yīng)器件

a: 雙閘極雙層CrI₃場效應(yīng)器件的示意性側(cè)視圖；

b: 兩個(gè)樣品器件的光學(xué)顯微圖；

c: 雙層CrI₃器件的平面外電導(dǎo)；

d: MCD隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系，插圖說明了對應(yīng)于各種磁場范圍的磁性狀態(tài)。

圖2 ：單層CrI₃摻雜控制鐵磁性

a: 在4K（頂部面板）和50K（底部面板）三個(gè)代表性摻雜水平下磁圓二色(MCD)與磁場的關(guān)系；

b: 溫度與敏感度的函數(shù)；

c: 柵極電壓（底軸）和誘導(dǎo)摻雜密度（頂軸）的函數(shù)。

圖3：雙層CrI₃中的摻雜控制層間磁性

a: 門極電壓（器件編號2）下4 K時(shí)的MCD與磁場的關(guān)系；

b: 在4K下?lián)诫s密度-磁場相圖；

c: 層間交換耦合常數(shù)和自旋翻轉(zhuǎn)相變場作為柵極電壓和柵極誘導(dǎo)摻雜濃度的函數(shù)。

圖4：靜電摻雜切換二維CrI₃中的磁性

a: 4K時(shí)單層CrI₃的MCD的柵電壓控制；

b: 在4K的零柵極電壓下，雙層CrI₃（器件2）的MCD與磁場的關(guān)系；

c: 4K時(shí)雙層CrI₃的MCD的柵壓控制。

【小結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)通過靜電摻雜證實(shí)了在單層和雙層CrI₃中對磁性的有效控制， 特別的是在零磁場下雙層CrI₃可以誘導(dǎo)AFM-FM自旋相變(spin phase transition)。研究結(jié)果確定了一種有效和多功能的方法來調(diào)制2D磁體的磁化，雙層CrI₃可以作為一種有前景的電壓控制磁開關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)。觀察到的摻雜對2D CrI₃磁性的影響的微觀機(jī)制目前尚未完全理解，為將來的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了思路和方向。

文獻(xiàn)鏈接：Controlling magnetism in 2D CrI3 by electrostatic doping（Nat. Nanotech.,2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0135-x）

本文由材料人電子電工學(xué)術(shù)組楊超整理編輯。

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