二维铁磁半导体登上Nature nanotechnology
QTL实验室 纳米人 2018-07-04

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第一作者:王志、张桐耀、丁美、董宝娟

通讯作者:韩拯、杨腾、陈院森

通讯单位:中科院金属所、山西大学

 

研究亮点:

1. 研究发现少数层Cr2Ge2Te6是目前已知的首个拥有内禀自旋和电荷态密度双重双极可调特性的二维本征铁磁半导体材料。

2. 证实了基于二维范德华铁磁体的自旋场效应器件的可行性,有助于促进其他二维铁性材料与器件的研究。

 

静电调控磁性是自旋电子学中一个重要的研究方向。磁性材料中如果能赋予门电压的调控特性,将会为自旋阀等自旋器件增加一个具有巨大应用前景的调控自由度,从而实现自旋场效应管。这通常要求材料本身具有门电压可调的半导体特性。目前,能够实现自旋场效应,并成功通过电场调制磁性的体系并不多,包括稀磁半导体、多层磁性薄膜异质结等。

 

近年来,随着二维范德华材料家族的发展, 各种新物理现象不断涌现。二维范德华材料主要优势之一,是由于Z轴维度降低,原有块体中的静电屏蔽减弱,从而可以对本征二维半金属或者半导体构建场效应器件,用来做传感器或者逻辑运算器件。

 

在范德华材料中,少数层磁性二维半导体材料目前在各领域得到广泛研究,产生了诸多有趣的物理现象。然而,截至目前,基于本征二维铁磁半导体材料的场效应器件至今研究甚少,而静电场调制其磁性的研究更是缺乏。

 

有鉴于此,由中科院金属所张志东研究员韩拯研究员主导,在山西大学陈院森教授研究组、金属所杨腾副研究员、长沙理工丁美教授的主要合作下,多家单位成功实现了二维Cr2Ge2Te6中自旋与电荷的双极电操控。

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团队采用惰性气氛下原子层厚度的垂直组装,将3.5 nm厚Cr2Ge2Te6少数层材料封装于两层氮化硼之中,解决了母材料空气中稳定性欠佳的问题。通过微纳米加工手段制备得到场效应器件,并进行系统的低温电学与磁学测量。

 

电输运测量表明,少数层Cr2Ge2Te6在铁磁居里温度(~65K)以下,保持了载流子导通性,并且能够实现电子与空穴的双极场效应。室温下源漏1 V电压得到最大开态电流达数十微安,开关比达到104以上。居里温度以下的低温微区磁光Kerr测量表明,该型纳米器件在门电压调控下,磁性亦能得到有效调控,并且与电输运相仿,存在双极门电压可调特性。证实了基于二维范德华铁磁体的自旋场效应器件的可行性。

 

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图1.少数层Cr2Ge2Te6范德华异质结器件的制备及其电荷载流子的场效应曲线。

 

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图2. 少数层Cr2Ge2Te6的自旋双极电场操控。

 

金属所杨腾副研究员对本体系做了系统的第一性原理计算和微磁学模拟,计算模拟结果与实验结果十分吻合。模拟表明,该体系中存在特殊的自旋极化的能带,间接带隙的上下带边分别由Cr-d贡献的自旋多子态和Te-p贡献的自旋少子态,造就了实验上观测到的自旋与电荷的双重双极场效应。少数层Cr2Ge2Te6是目前已知的首个拥有内禀自旋和电荷态密度双重双极可调特性的二维本征磁性半导体材料。

 

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图3. 少数层Cr2Ge2Te6中电子/自旋双重双极场效应的第一性原理模拟。

 

总之,本工作通过范德华异质结制备方法构建纳米器件,首次实现了二维本征铁磁半导体中电荷与自旋的双重双极全电操控,有望将信息存储和逻辑运算集成为同一个单元,为未来信息技术产业的发展提供突破冯诺依曼架构的新的可能。

 

参考文献:

Wang Z, Zhang T, Ding M et al. Electric-field control of magnetism in a few-layered van der Waals ferromagnetic semiconductor[J]. Nature Nanotechnology, 2018.

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0186-z

DOI: 10.1038/s41565-018-0186-z

 

作者简介:

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韩拯研究员2013年获得法国 NEEL研究所纳米电子学专业博士。2015年10月从美国哥伦比亚大学博士后出站,在金属研究所磁性材料与磁学部开展研究工作,并建立了金属研究所低温量子输运实验室(QTL),该实验室目前有范德华人工堆垛平台、原子力显微镜、超低温装置、电子束曝光微加工平台等设备。

 

韩拯研究员在二维纳米人工复合体系的超导量子相变、电子光学、低维量子器件的电磁性能等方面取得创新性研究成果。曾获得2014年法国C’nano优秀博士论文奖。以石墨烯为载体超导-金属量子相变的工作被Nature Physics杂志选为封面故事。首次实验观测到了pn结界面上的电子负折射,相关工作被Physics World杂志(英国皇家物理学会IOP旗下)评为2016年度“物理学十大突破”。采用专利技术制备了倒置隧穿接触的MoS2极性可调的二极管场效应器件。首次报道了原子层厚度范德华铁磁半导体的电子、自旋双重双极可调特性。目前在Science及Nature子刊已发表和合作发表论文7篇,其他SCI论文40余篇,美国授权专利1项,为多家杂志审稿人和科技部重点研发项目会评专家。目前承担或合作承担青年千人计划、基金委青年基金、科技部重点研发项目、基金委重大设备研制等项目。

 

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杨腾副研究员2009年从美国密歇根州立大学物理与天文学系博士毕业。同年加入中国科学院金属研究所,获葛庭燧奖研金。2012年获金属研究所优秀学者。

 

杨腾副研究员的主要研究方向为低维材料的功能设计和多尺度模拟计算,其中包括二维磁性,低维半导体材料中的电声耦合(包括共振拉曼散射)及热与电之间的转化。在Phys. Rev. Lett., Nature Nanotechnology,JACS等期刊杂志发表相关论文40余篇。担任Scientific Reports期刊编委,并担任包括Nano Lett., Phys. Rev. Lett. 等在内20余种SCI期刊审稿人。

 

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陈院森,德国杜伊斯堡-埃森大学博士,瑞士IBM-Zurich实验室博士后,于2014年6月在山西大学建立“量子自旋物理”实验室。基于双色微区超快光学平台和自旋噪声谱平台,主要研究低维量子体系中电子自旋态的输运和调控。

 

招聘信息:

金属研究所韩拯课题组与深圳大学张晗课题组联合招聘博士后研究人员。

 

主要从事新型纳米复合器件的制备与物理性能研究, 年薪大于30万人民币,工作单位为深圳大学;工作地点为深圳每年4个月,沈阳每年8个月。欢迎有材料、物理、信息等背景(我们属于交叉学科,不着重强调学科背景,更看重创新和动手能力)的有意者投递简历至:vitto.han@gmail.com  或者 hzhang@szu.edu.cn

详情请见:  http://muchong.com/t-12425087-1

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