《自然-納米科技》報(bào)道二維本征鐵磁半導(dǎo)體研究最新進(jìn)展

發(fā)布者：何小勇發(fā)布時(shí)間：2018年07月04日 11:44

第一作者：王志，張桐耀，丁美，董寶娟

通訊作者：韓拯, 楊騰，陳院森

電調(diào)控磁性是自旋電子學(xué)中一個(gè)重要的研究方向。磁性材料中如果能賦予門(mén)電壓的調(diào)控特性，將會(huì)為自旋閥等自旋器件增加一個(gè)具有巨大應(yīng)用前景的調(diào)控自由度，從而實(shí)現(xiàn)自旋場(chǎng)效應(yīng)管。近年來(lái)，隨著二維范德華材料家族的發(fā)展, 各種新物理現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)。二維范德華材料主要優(yōu)勢(shì)之一，是由于Z軸維度降低，原有塊體中的靜電屏蔽減弱，從而可以對(duì)本征二維半金屬或者半導(dǎo)體構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)器件，用來(lái)做傳感器或者邏輯運(yùn)算器件。在范德華材料中，少數(shù)層磁性二維半導(dǎo)體材料目前在各領(lǐng)域得到廣泛研究，產(chǎn)生了諸多有趣的物理現(xiàn)象。然而，基于半導(dǎo)體磁性二維材料的場(chǎng)效應(yīng)器件至今研究甚少，而靜電場(chǎng)調(diào)制其磁性的研究更是缺乏。

近期，我校材料學(xué)院湖南省團(tuán)隊(duì)百人計(jì)劃丁美教授與中科院金屬所韓拯研究員，張志東研究員，山西大學(xué)光電研究所陳院森研究組、金屬所楊騰副研究員、重慶大學(xué)孫立東教授等合作，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位成功在Cr₂Ge₂Te₆少數(shù)層本征鐵磁二維半導(dǎo)體中利用固態(tài)門(mén)電壓調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)了電荷與自旋的雙重雙極全電操控。該工作于7月2日在Nature Nanotechnology（影響因子：37.49） 雜志在線發(fā)表。

團(tuán)隊(duì)采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，將3.5nm厚Cr₂Ge₂Te₆少數(shù)層材料封裝于兩層氮化硼之中，通過(guò)微納米加工手段制備得到場(chǎng)效應(yīng)器件，并進(jìn)行系統(tǒng)的低溫電學(xué)與磁學(xué)測(cè)量。電輸運(yùn)測(cè)量表明，少數(shù)層Cr₂Ge₂Te₆在鐵磁居里溫度（～65K）以下，保持了載流子導(dǎo)通性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電子與空穴的雙極場(chǎng)效應(yīng)。室溫下源漏1V電壓得到最大開(kāi)態(tài)電流達(dá)數(shù)十微安，開(kāi)關(guān)比達(dá)到10⁴以上。居里溫度以下的低溫微區(qū)磁光Kerr測(cè)量表明，該型納米器件在門(mén)電壓調(diào)控下，磁性亦能得到有效調(diào)控，并且與電輸運(yùn)相仿，存在雙極門(mén)電壓可調(diào)特性。證實(shí)了基于二維范德華鐵磁半導(dǎo)體的自旋場(chǎng)效應(yīng)器件的可行性。

少數(shù)層Cr₂Ge₂Te₆是目前已知的首個(gè)擁有內(nèi)稟自旋和電荷態(tài)密度雙重雙極可調(diào)特性，可將信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算集成為同一個(gè)單元的二維本征鐵磁半導(dǎo)體材料。該工作為繼續(xù)尋找室溫本征二維鐵磁半導(dǎo)體提供了一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，由于二維材料通常具備可大規(guī)模制備與柔性可穿戴等特性，發(fā)展前景十分廣闊。

包括北京大學(xué)、長(zhǎng)沙理工、重慶大學(xué)、日本東京中央電力研究所在內(nèi)的多家單位參與了本工作。長(zhǎng)沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院丁美教授、金屬研究所博士生王志、博士生董寶娟、山西大學(xué)博士生張桐耀為本文共同第一作者。韓拯研究員、楊騰副研究員、陳院森為共同通訊作者。

該項(xiàng)工作得到了湖南省團(tuán)隊(duì)百人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室等資助。

本工作的完成，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)沙理工大學(xué)在影響因子>30 的Nature 子刊發(fā)表文章的零突破。