我校阚二军教授团队在二维铁性半导体领域取得系列成果

2022-06-01来源:理学院作者:黄呈熙审核人:李鸿涛编辑:葛玲玲阅读:3018

近日,我校理学院应用物理系阚二军教授(通讯作者)与黄呈熙教授(第一作者)在国际顶尖期刊《纳米快报》(Nano Letters)上发表了题为“Toward Room-Temperature Electrical Control of Magnetic Order in Multiferroic van der Waals Materials”的研究论文(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00930),我校为第一单位。该期刊为物理与工程技术领域的顶级期刊,最新影响因子为11.189。

21世纪以来,信息技术的飞速发展伴随着电子数据量的爆炸式增长。国际数据公司(IDC)预测2025年全球数量将从2018年33ZB增长到惊人的175ZB,如何稳定、快速、经济地存储和处理如此巨量的数据,已成为当前电子信息工业面临的巨大挑战。近年来,随着人们对电子自旋的认识加深,以及低维材料的发现,基于电控磁效应的纳米信息器件崭露头角。电控磁存储技术旨在利用电场来控制磁存储器件中信息的读写,具有存储密度高、非易失、读写快、能耗低等优点,因而受到了科学界和产业界的普遍关注。然而,当前“二维铁性半导体的匮乏”、“工作温度低”以及“磁电极化难以共存与耦合”等问题严重制约了电控磁存储技术的发展。

为解决上述问题,对二维体系中磁电极化与耦合现象及其物理机制的挖掘,以及二维铁性材料的实验制备是至关重要的。在前期的研究工作中,阚二军教授团队从基础理论层面揭示了二维体系中增强铁磁耦合、实现磁电共存、以及低温下电控磁序翻转的普适性物理机制,并设计了一系列室温二维铁磁半导体、磁电共存半导体以及低温电控磁半导体材料。但是,“如何进一步地实现能够在室温下工作的非易失性电控磁二维体系?”一直没有得到解决。这一困扰了科学界半个多世纪的基础科学问题近年来因为二维铁磁与铁电半导体的实验证实而再次引发了人们的紧密关注。

在这项研究工作中,阚二军教授团队在前期的研究基础上获得了进一步的突破,首次揭示了范德瓦二维磁电体系中的实现室温下电控磁序相变的理论机制及其可行途径。如上图所示,他们首先提出了一类具有室温铁磁铁电性和垂直于表面的铁电极化的二维过渡金属碳/氮化物材料,这类材料与著名的MXenes家族具有类似的结构和良好的化学稳定性,因而有望通过CVD等方法进行制备;有趣的是,他们发现在这类二维磁电多铁体系中存在显著的自旋-电荷相互作用,铁电极化方向的翻转会导致自旋的空间分布发生巨大的变化,而我们知道磁耦合的强度通常与自旋位点之间的距离有显著的关联,因此,在一个由这类多铁材料构成的范德瓦双层结构中,铁电极化的翻转将必然导致层间磁耦合的显著变化,甚至导致铁磁-反铁磁序相变,即实现了室温下的电控磁序相变。这一理论通过第一性原理计算获得了证明。这一发现进一步揭示了磁电耦合效应的物理本质,为电控磁技术的发展提供的新的方向。

此外,在近期的一项实验工作中,阚二军教授及其合作者通过理论与实验结合,成功地制备了具有室温铁电性的二维二硫化铼材料,并利用其垂直铁电性,制作了铁电隧道结器件,极大地推动了二维铁性材料在微纳信息器件领域的应用。该工作以“Room-temperature ferroelectricity in 1T'-ReS2 multilayers”为题发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters),并被选为封面论文。

上述工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及南京理工大学自主科研专项资金的支持。