西安交通大学李平课题组Adv. Funct. Mater.:二维材料结构相变实现三铁序共存和多类型能谷极化

通讯作者: 李平，西安交通大学

作者：Chao Wu (吴超)，Hanbo Sun (孙涵博)，Pengqiang Dong(董鹏强)，Yin-Zhong Wu (吴银忠)

研究背景：

随着器件尺寸不断减小、集成度不断提高，摩尔定律逼近物理极限，器件的功耗问题成为制约其发展的瓶颈。一种有前景的解决途径是寻找信息传输的新方式。近年来，能谷自由度被理论提出和实验证实。为了便于谷电子的应用，要求能谷极化具有非易失性，切需要在两个能谷极化态之间自由切换。目前，有两大类实现能谷极化切换的方法。一类是通过铁电打破空间反演对称性，使能谷极化方向和铁电极化方向锁定，在外电场作用下实现自由切换。另一类方法是利用磁性打破时间反演对称，这类材料是具有本征磁性的二维能谷极化半导体。但这类材料难以实现能谷极化态之间的切换。因此，需要与铁电材料形成异质结构，这将增加器件制造的难度。此外，在同一材料中实现多类型能谷极化是极具挑战性，但这将拓宽铁谷材料的应用场景。

文章亮点：

作者提出利用二维材料结构相变实现磁性、铁电和铁谷三铁序共存和多类型能谷极化的机制。1T和2H相OsBr₂单层分别呈现非磁性半导体和具有175.49 meV能谷极化的铁磁性半导体。有趣的是，1T相OsBr₂双层由于晶格对称性破缺展现出三态能谷极化，而2H相双层的能谷极化则源于时间反演对称性破缺和自旋-轨道耦合的共同作用。此外，1T相AB层和2H相AA层的能谷极化和铁电极化可以通过层间滑移来调控。重要的是，作者证实了Li⁺离子插入可以使2H相转变为1T相，而1T相可以通过红外激光诱导发生结构相变为2H相。该工作为调控能谷极化提供了一种可行的策略，并为非易失性纳米器件的设计提供思路。

图1. 磁性、铁电和铁谷三铁序共存和多类型能谷极化的物理图像。

图2. 1T相和2H相OsBr₂滑移势垒。

图3. 1T相双层OsBr₂不考虑自旋-轨道耦合作用的能带。

图4. 2H相双层OsBr₂考虑自旋-轨道耦合作用的能带和贝里曲率。

图5. 1T相双层OsBr₂全布里渊的能谷极化。

图6. 2H相双层OsBr₂全布里渊的能谷极化。

图7. 1T和2H相转变示意图和2H相转变为1T相的势垒。

通讯作者信息：

李平，西安交通大学材料科学与工程学院副教授，一直从事低维材料界面磁性质、电子态、拓扑性质及其多物理场调控的研究，主要兴趣包括磁性、铁电、铁谷等多铁性物理,自旋/反常/量子反常/非线性霍尔效应等，迄今为止以第一/共一/通讯作者在国际著名期刊在Nature Communications (1篇), Advanced Materials (1篇), Nano Letters (2篇),Advanced Functional Materials (2篇), npj Computational Materials (1篇), Physical Review系列 (8篇), Applied Physics Letters (3篇)等期刊发表论文40篇，这其中包含ESI高被引论文2篇。根据谷歌学术检索，论文总引用1000余次，入选了美国斯坦福大学发布的2023和2024年度全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、陕西省青年科技新星等14项科研项目。

文章链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501506