Nat. Nanotech.：静电掺杂控制2D CrI3中的磁性

【引言】

最近，二维材料的原子厚度和静电掺杂提供了控制其电学和光学性质来驱动电子相变的独特机会。二维磁性材料的发现开启了磁性电气控制的大门和为实现新功能器件拓宽了思路。虽然基于线性磁电效应的实验证明了通过电场控制双层CrI₃中的磁序，这种方法仅限于非中心对称材料在反铁磁体-铁磁体转变附近磁偏置。

【成果简介】

近日，来自Cornell University的物理系的麦建辉(通讯作者)和应用与工程物理学院的单洁 (共同通讯作者)联合团队的姜生伟( 第一作者）、 李立中和王泽芳在 Nat. Nanotech.发表了题为Controlling magnetism in 2D CrI₃ by electrostatic doping的文章，通过静电掺杂使用CrI₃-石墨烯垂直异质结构控制单层和双层CrI₃的磁性，在单层CrI₃中，掺杂改变了饱和磁化强度、矫顽力和居里温度，随着空穴/电子掺杂而增强/减弱的磁序。在双层CrI₃中，在〜2.5×10¹³ cm^-2以上的电子掺杂可以在没有磁场的情况下从反铁磁基态转变为铁磁基态。结果表明依赖于掺杂的层间交换耦合，它可以通过小的栅极电压实现双层CrI₃中的磁化的稳健开关。

该团队在二维磁性领域不久前还在nature materials上发表了题为Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章, 首次在晶体结构为中心反演对称的双层CrI₃中发现了完全由自旋序(spin order)控制的磁电耦合效应, 并且磁电耦合系数达到了110ps/m, 超过了绝大多数单相磁电耦合材料.由于巨大磁电耦合系数,外加较小电压就能产生30%的饱和磁矩.利用该效应可以实现对材料磁性连续可逆地产生与翻转. 该文章被nature materials新闻观点作为亮点报道。

【图文导读】

图1：2D CrI₃场效应器件

a: 双闸极双层CrI₃场效应器件的示意性侧视图；

b: 两个样品器件的光学显微图；

c: 双层CrI₃器件的平面外电导；

d: MCD随磁场强度的变化关系，插图说明了对应于各种磁场范围的磁性状态。

图2 ：单层CrI₃掺杂控制铁磁性

a: 在4K（顶部面板）和50K（底部面板）三个代表性掺杂水平下磁圆二色(MCD)与磁场的关系；

b: 温度与敏感度的函数；

c: 栅极电压（底轴）和诱导掺杂密度（顶轴）的函数。

图3：双层CrI₃中的掺杂控制层间磁性

a: 门极电压（器件编号2）下4 K时的MCD与磁场的关系；

b: 在4K下掺杂密度-磁场相图；

c: 层间交换耦合常数和自旋翻转相变场作为栅极电压和栅极诱导掺杂浓度的函数。

图4：静电掺杂切换二维CrI₃中的磁性

a: 4K时单层CrI₃的MCD的栅电压控制；

b: 在4K的零栅极电压下，双层CrI₃（器件2）的MCD与磁场的关系；

c: 4K时双层CrI₃的MCD的栅压控制。

【小结】

该团队通过静电掺杂证实了在单层和双层CrI₃中对磁性的有效控制， 特别的是在零磁场下双层CrI₃可以诱导AFM-FM自旋相变(spin phase transition)。研究结果确定了一种有效和多功能的方法来调制2D磁体的磁化，双层CrI₃可以作为一种有前景的电压控制磁开关应用系统。观察到的掺杂对2D CrI₃磁性的影响的微观机制目前尚未完全理解，为将来的理论和实验研究提供了思路和方向。

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

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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