东北大学张宪民团队Nano Lett.: 双层堆垛磁半导体中铁电和铁谷极化的共存

2023年6月26日，Nano Lett.在线发表了东北大学张宪民教授课题组的研究论文，题目为《Coexisting Ferroelectric and Ferrovalley Polarizations in Bilayer Stacked Magnetic Semiconductors》。

二维范德华材料在下一代电子器件的发展中显示出巨大的潜力。二维材料的范德华相互作用强烈影响其化学和物理性质，其中层的堆垛顺序可能会导致反常行为。长期以来，人们一直认为铁电和铁谷极化在一个磁性半导体中的共存可以为电子器件的革命提供可能性。在此研究中，作者对单层和双层YI₂进行了探索。单层YI₂是一种铁磁半导体，并且表现出高达105 meV的谷极化。无论堆垛顺序如何，所有的双层YI₂都显示出反铁磁态。有趣的是，具有3R型堆垛的双层YI₂不仅表现出谷极化，而且还表现出意想不到的铁电极化，这证明了铁谷和多铁性的同时存在。此外，3R型双层YI₂的谷极化可以通过电场控制的铁电极化方向或使用外磁场操纵的磁化方向来反转。这种惊人的现象也在二维范德华LaI₂和GdBr₂双层中得到了证明。基于同时存在的铁谷和多铁性特征，这项研究提出了一种多功能器件的设计思想。

东北大学张宪民团队Nano Lett.: 双层堆垛磁半导体中铁电和铁谷极化的共存

图1 单层YI₂的晶体结构、自旋分辨能带和Berry曲率

图2 双层YI₂的堆垛结构

图3 双层YI₂的滑移能垒、静电势和极化大小

东北大学张宪民团队Nano Lett.: 双层堆垛磁半导体中铁电和铁谷极化的共存

图4 双层YI₂的自旋分辨能带和Berry曲率

图5 结合谷极化的电磁调节说明其操作机制

【论文链接】

Wu, Y., Tong, J., Deng, L. et al. Coexisting Ferroelectric and Ferrovalley Polarizations in Bilayer Stacked Magnetic Semiconductors. Nano Lett., 2023. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01948

【其他相关文献】

[1] Wang, X., Yasuda, K., Zhang, Y. et al. Interfacial ferroelectricity in rhombohedral-stacked bilayer transition metal dichalcogenides. Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 367–371. https://doi.org/10.1038/s41565-021-01059-z

[2] Tong, WY., Gong, SJ., Wan, X. et al. Concepts of ferrovalley material and anomalous valley Hall effect. Nat. Commun., 2016, 7, 13612. https://doi.org/10.1038/ncomms13612

论文链接：

https://doi.org/10.1038/ncomms13612

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