第一作者：王志、張桐耀、丁美、董寶娟
通訊作者：韓拯、楊騰、陳院森
通訊單位：中科院金屬所、山西大學(xué)
研究亮點：
1. 研究發(fā)現(xiàn)少數(shù)層Cr2Ge2Te6是目前已知的首個擁有內(nèi)稟自旋和電荷態(tài)密度雙重雙極可調(diào)特性的二維本征鐵磁半導(dǎo)體材料。
2. 證實了基于二維范德華鐵磁體的自旋場效應(yīng)器件的可行性，有助于促進其他二維鐵性材料與器件的研究。
靜電調(diào)控磁性是自旋電子學(xué)中一個重要的研究方向。磁性材料中如果能賦予門電壓的調(diào)控特性，將會為自旋閥等自旋器件增加一個具有巨大應(yīng)用前景的調(diào)控自由度，從而實現(xiàn)自旋場效應(yīng)管。這通常要求材料本身具有門電壓可調(diào)的半導(dǎo)體特性。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)自旋場效應(yīng)，并成功通過電場調(diào)制磁性的體系并不多，包括稀磁半導(dǎo)體、多層磁性薄膜異質(zhì)結(jié)等。
近年來，隨著二維范德華材料家族的發(fā)展, 各種新物理現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)。二維范德華材料主要優(yōu)勢之一，是由于Z軸維度降低，原有塊體中的靜電屏蔽減弱，從而可以對本征二維半金屬或者半導(dǎo)體構(gòu)建場效應(yīng)器件，用來做傳感器或者邏輯運算器件。
在范德華材料中，少數(shù)層磁性二維半導(dǎo)體材料目前在各領(lǐng)域得到廣泛研究，產(chǎn)生了諸多有趣的物理現(xiàn)象。然而，截至目前，基于本征二維鐵磁半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)器件至今研究甚少，而靜電場調(diào)制其磁性的研究更是缺乏。
有鑒于此，由中科院金屬所張志東研究員、韓拯研究員主導(dǎo)，在山西大學(xué)陳院森教授研究組、金屬所楊騰副研究員、長沙理工丁美教授的主要合作下，多家單位成功實現(xiàn)了二維Cr2Ge2Te6中自旋與電荷的雙極電操控。
團隊采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，將3.5 nm厚Cr2Ge2Te6少數(shù)層材料封裝于兩層氮化硼之中，解決了母材料空氣中穩(wěn)定性欠佳的問題。通過微納米加工手段制備得到場效應(yīng)器件，并進行系統(tǒng)的低溫電學(xué)與磁學(xué)測量。
電輸運測量表明，少數(shù)層Cr2Ge2Te6在鐵磁居里溫度（～65K）以下，保持了載流子導(dǎo)通性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電子與空穴的雙極場效應(yīng)。室溫下源漏1 V電壓得到最大開態(tài)電流達數(shù)十微安，開關(guān)比達到104以上。居里溫度以下的低溫微區(qū)磁光Kerr測量表明，該型納米器件在門電壓調(diào)控下，磁性亦能得到有效調(diào)控，并且與電輸運相仿，存在雙極門電壓可調(diào)特性。證實了基于二維范德華鐵磁體的自旋場效應(yīng)器件的可行性。
圖1.少數(shù)層Cr2Ge2Te6范德華異質(zhì)結(jié)器件的制備及其電荷載流子的場效應(yīng)曲線。
圖2. 少數(shù)層Cr2Ge2Te6的自旋雙極電場操控。
金屬所楊騰副研究員對本體系做了系統(tǒng)的第一性原理計算和微磁學(xué)模擬，計算模擬結(jié)果與實驗結(jié)果十分吻合。模擬表明，該體系中存在特殊的自旋極化的能帶，間接帶隙的上下帶邊分別由Cr-d貢獻的自旋多子態(tài)和Te-p貢獻的自旋少子態(tài)，造就了實驗上觀測到的自旋與電荷的雙重雙極場效應(yīng)。少數(shù)層Cr2Ge2Te6是目前已知的首個擁有內(nèi)稟自旋和電荷態(tài)密度雙重雙極可調(diào)特性的二維本征磁性半導(dǎo)體材料。
圖3. 少數(shù)層Cr2Ge2Te6中電子／自旋雙重雙極場效應(yīng)的第一性原理模擬。
總之，本工作通過范德華異質(zhì)結(jié)制備方法構(gòu)建納米器件，首次實現(xiàn)了二維本征鐵磁半導(dǎo)體中電荷與自旋的雙重雙極全電操控，有望將信息存儲和邏輯運算集成為同一個單元，為未來信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供突破馮諾依曼架構(gòu)的新的可能。
參考文獻：
Wang Z, Zhang T, Ding M et al. Electric-field control of magnetism in a few-layered van der Waals ferromagnetic semiconductor[J]. Nature Nanotechnology, 2018.
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0186-z
DOI: 10.1038/s41565-018-0186-z
作者簡介：
韓拯研究員2013年獲得法國 NEEL研究所納米電子學(xué)專業(yè)博士。2015年10月從美國哥倫比亞大學(xué)博士后出站，在金屬研究所磁性材料與磁學(xué)部開展研究工作，并建立了金屬研究所低溫量子輸運實驗室（QTL），該實驗室目前有范德華人工堆垛平臺、原子力顯微鏡、超低溫裝置、電子束曝光微加工平臺等設(shè)備。
韓拯研究員在二維納米人工復(fù)合體系的超導(dǎo)量子相變、電子光學(xué)、低維量子器件的電磁性能等方面取得創(chuàng)新性研究成果。曾獲得2014年法國C’nano優(yōu)秀博士論文獎。以石墨烯為載體超導(dǎo)-金屬量子相變的工作被Nature Physics雜志選為封面故事。首次實驗觀測到了pn結(jié)界面上的電子負折射，相關(guān)工作被Physics World雜志（英國皇家物理學(xué)會IOP旗下）評為2016年度“物理學(xué)十大突破”。采用專利技術(shù)制備了倒置隧穿接觸的MoS2極性可調(diào)的二極管場效應(yīng)器件。首次報道了原子層厚度范德華鐵磁半導(dǎo)體的電子、自旋雙重雙極可調(diào)特性。目前在Science及Nature子刊已發(fā)表和合作發(fā)表論文7篇，其他SCI論文40余篇，美國授權(quán)專利1項，為多家雜志審稿人和科技部重點研發(fā)項目會評專家。目前承擔(dān)或合作承擔(dān)基金委青年基金、科技部重點研發(fā)項目、基金委重大設(shè)備研制等項目。
楊騰副研究員2009年從美國密歇根州立大學(xué)物理與天文學(xué)系博士畢業(yè)。同年加入中國科學(xué)院金屬研究所，獲葛庭燧獎研金。2012年獲金屬研究所優(yōu)秀學(xué)者。
楊騰副研究員的主要研究方向為低維材料的功能設(shè)計和多尺度模擬計算，其中包括二維磁性，低維半導(dǎo)體材料中的電聲耦合（包括共振拉曼散射）及熱與電之間的轉(zhuǎn)化。在Phys. Rev. Lett., Nature Nanotechnology，JACS等期刊雜志發(fā)表相關(guān)論文40余篇。擔(dān)任Scientific Reports期刊編委，并擔(dān)任包括Nano Lett., Phys. Rev. Lett. 等在內(nèi)20余種SCI期刊審稿人。
陳院森，德國杜伊斯堡-埃森大學(xué)博士，瑞士IBM-Zurich實驗室博士后，于2014年6月在山西大學(xué)建立“量子自旋物理”實驗室。基于雙色微區(qū)超快光學(xué)平臺和自旋噪聲譜平臺，主要研究低維量子體系中電子自旋態(tài)的輸運和調(diào)控。
招聘信息：
金屬研究所韓拯課題組與深圳大學(xué)張晗課題組聯(lián)合招聘博士后研究人員。
主要從事新型納米復(fù)合器件的制備與物理性能研究, 年薪大于30萬人民幣，工作單位為深圳大學(xué)；工作地點為深圳每年4個月，沈陽每年8個月。歡迎有材料、物理、信息等背景（我們屬于交叉學(xué)科，不著重強調(diào)學(xué)科背景，更看重創(chuàng)新和動手能力）的有意者投遞簡歷至：vitto.han@gmail.com 或者 hzhang@szu.edu.cn
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