【引言】

最近，電摻的磁二維材料的雜控制DI中原子厚度和靜電摻雜提供了控制其電學和光學性質來驅動電子相變的獨特機會。二維磁性材料的性材發現開啟了磁性電氣控制的大門和為實現新功能器件拓寬了思路。雖然基于線性磁電效應的料牛實驗證明了通過電場控制雙層CrI₃中的磁序，這種方法僅限于非中心對稱材料在反鐵磁體-鐵磁體轉變附近磁偏置。電摻的磁

【成果簡介】

近日，雜控制DI中來自Cornell University的性材物理系的麥建輝(通訊作者)和應用與工程物理學院的單潔 (共同通訊作者)聯合團隊的姜生偉( 第一作者）、 李立中和王澤芳在Nat. Nanotech.發表了題為Controlling magnetism in 2D CrI₃ by electrostatic doping的料牛文章，通過靜電摻雜使用CrI₃-石墨烯垂直異質結構控制單層和雙層CrI₃的電摻的磁磁性，在單層CrI₃中，雜控制DI中摻雜改變了飽和磁化強度、性材矯頑力和居里溫度，料牛隨著空穴/電子摻雜而增強/減弱的電摻的磁磁序。在雙層CrI₃中，雜控制DI中在?2.5×10¹³cm^-2以上的性材電子摻雜可以在沒有磁場的情況下從反鐵磁基態轉變為鐵磁基態。結果表明依賴于摻雜的層間交換耦合，它可以通過小的柵極電壓實現雙層CrI₃中的磁化的穩健開關。

該團隊在二維磁性領域不久前還在nature materials上發表了題為Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章, 首次在晶體結構為中心反演對稱的雙層CrI₃中發現了完全由自旋序(spin order)控制的磁電耦合效應, 并且磁電耦合系數達到了110ps/m, 超過了絕大多數單相磁電耦合材料.由于巨大磁電耦合系數,外加較小電壓就能產生30%的飽和磁矩.利用該效應可以實現對材料磁性連續可逆地產生與翻轉. 該文章被nature materials新聞觀點作為亮點報道。

【圖文導讀】

圖1：2D CrI₃場效應器件

a: 雙閘極雙層CrI₃場效應器件的示意性側視圖；

b: 兩個樣品器件的光學顯微圖；

c: 雙層CrI₃器件的平面外電導；

d: MCD隨磁場強度的變化關系，插圖說明了對應于各種磁場范圍的磁性狀態。

圖2 ：單層CrI₃摻雜控制鐵磁性

a: 在4K（頂部面板）和50K（底部面板）三個代表性摻雜水平下磁圓二色(MCD)與磁場的關系；

b: 溫度與敏感度的函數；

c: 柵極電壓（底軸）和誘導摻雜密度（頂軸）的函數。

圖3：雙層CrI₃中的摻雜控制層間磁性

a: 門極電壓（器件編號2）下4 K時的MCD與磁場的關系；

b: 在4K下摻雜密度-磁場相圖；

c: 層間交換耦合常數和自旋翻轉相變場作為柵極電壓和柵極誘導摻雜濃度的函數。

圖4：靜電摻雜切換二維CrI₃中的磁性

a: 4K時單層CrI₃的MCD的柵電壓控制；

b: 在4K的零柵極電壓下，雙層CrI₃（器件2）的MCD與磁場的關系；

c: 4K時雙層CrI₃的MCD的柵壓控制。

【小結】

該團隊通過靜電摻雜證實了在單層和雙層CrI₃中對磁性的有效控制， 特別的是在零磁場下雙層CrI₃可以誘導AFM-FM自旋相變(spin phase transition)。研究結果確定了一種有效和多功能的方法來調制2D磁體的磁化，雙層CrI₃可以作為一種有前景的電壓控制磁開關應用系統。觀察到的摻雜對2D CrI₃磁性的影響的微觀機制目前尚未完全理解，為將來的理論和實驗研究提供了思路和方向。

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

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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