北理工團(tuán)隊在二維單層多鐵材料的理論研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-08-21 供稿：集成電路與電子學(xué)院 攝影：集成電路與電子學(xué)院
編輯：李曉雨 審核：薛正輝 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院孫家濤教授在過渡金屬修飾單層三鹵化鉻多鐵性領(lǐng)域理論研究中取得重要進(jìn)展,，相關(guān)成果以“Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides”（過渡金屬修飾三鹵化鉻單層的本征多鐵性）為題發(fā)表與國際知名期刊《npj Computational Materials》（IF：9.4,，中科院大類一區(qū)）,。
隨著信息時代的高速發(fā)展，人們對于信息存儲的需求越來越高,。傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)主要依賴以電荷為信息載體的晶體管單元,，實(shí)現(xiàn)對信息的表達(dá)、存儲,、傳輸和處理,。隨著摩爾定律的失效，如何利用新原理,、新結(jié)構(gòu)和新材料來解決這一器件問題是后摩爾時代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn),。研究人員充分意識到集成電路器件的微型化、集成化和多功能化對二維多鐵器件提出的新挑戰(zhàn),。因此,，尋找新型單層多鐵材料對于發(fā)展下一代自旋電子學(xué)器件及其電路集成具有重要的意義。
長期以來,，人們一直在尋找具有本征多鐵性的二維材料,，以實(shí)現(xiàn)納米電子器件中磁電耦合的應(yīng)用。本工作中作者利用過渡金屬原子修飾單層三鹵化鉻實(shí)現(xiàn)了單層穩(wěn)定的Ⅰ型多鐵性,，并且其電極化為面外鐵電極化,，這有利于外場對其鐵電性的調(diào)控,。面外鐵電極化表現(xiàn)出較強(qiáng)的原子選擇性，作者發(fā)現(xiàn)了84種基于過渡金屬的單層多鐵材料,，其中有12種具有面外鐵電或反鐵電極化,。通過群論分析揭示了這種現(xiàn)象依賴于p-d耦合和晶體場劈裂。Cu修飾增強(qiáng)了三鹵化物的本征鐵磁性,，并且提高了鐵磁轉(zhuǎn)變溫度,。通過計算不同鐵電結(jié)構(gòu)（反鐵電和鐵電）的電極化，作者研究了該系統(tǒng)中的磁電耦合效應(yīng),。在這些體系中作者獲得了鐵電相和反鐵電相,，為磁性材料的外場調(diào)控、能量存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了新機(jī)遇,。此外,，作者利用非平衡格林函數(shù)方法，計算了雙電極Cu(CrBr3)2器件的輸運(yùn)性質(zhì),，結(jié)果表明,，Cu(CrBr3)2器件具有出色的自旋過濾特性和低偏壓負(fù)微分電阻（Negative differential resistance, NDR）效應(yīng)，具有低功耗的開關(guān)響應(yīng)特性,。作者的研究不僅深化了對二維多鐵性材料的認(rèn)識,，預(yù)測了多種具有面外鐵電極化的新材料，并揭示了其鐵電性和鐵磁性增強(qiáng)機(jī)制,，在納米電子和自旋電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。
圖1 單層Cu(CrX3)2原子結(jié)構(gòu)和投影態(tài)密度圖
圖2 鐵電翻轉(zhuǎn)路徑及能帶圖
圖3 CrX3和Cu(CrX3)2的磁性
圖4 磁電耦合效應(yīng)
圖5 Cu(CrBr3)2器件的輸運(yùn)特性示意圖
北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院博士研究生劉猛為本文第一作者,，孫家濤教授為論文通訊作者,。本工作得到了中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士和北京理工大學(xué)物理學(xué)院江兆潭教授的大力支持。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃,、國家自然科學(xué)基金,、中科院先導(dǎo)項目提供的資金支持，上海超級計算中心及校內(nèi)外計算測試平臺提供了相應(yīng)的仿真計算條件,。
Meng Liu, Shuyi He, Hongyan Ji, Jingda Guo,Zhaotan Jiang, and Jia-Tao Sun*, Hong-Jun Gao. Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides. npj Computational Materials 10, 180 (2024)
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-024-01369-5
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