極大隧穿磁阻的CrI3層狀磁性半導體

導讀

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磁性層狀范德華晶體是一類新興的材料，可以獲得新的物理現象。儘管一直以來研究者對於半導體磁性和運輸之間相互作用的探索較少，但最近有研究發現Cr2Ge2Te6和CrI3中存在著二維鐵磁性。近日，日內瓦大學Alberto F. Morpurgo（通訊作者）教授團隊在《Naturecommunications》雜誌上發表了題為「Very large tunneling magnetoresistance in layeredmagnetic semiconductor CrI3」的文章，他們測量了純CrI3晶體的磁電運輸特性，發現在垂直於晶面的方向上隧道傳導磁阻高達10,000％，CrI3的不同磁性狀態的突然改變，直接顯示了運輸和磁性的強耦合關係。

背 景 介 紹

對於層狀范德瓦爾斯化合物的研究揭示，通過改變原子尺度上的材料厚度可以控制其電子現象[1]。磁性范德華半導體對於研究新的物理現象具有很大價值，在磁性范德華半導體中，磁性可以自發地產生，理論上可以保持完美的晶體結構，而不像傳統的磁性半導體需要引入磁性摻雜劑[2,3]。最近的實驗表明，在Cr2Ge2Te6和CrI3的原子級薄層中出現二維鐵磁性，磁性范德瓦爾斯半導體的潛力再次激起研究者們的興趣。然而，迄今為止，很少有實驗來探測它們的運輸和光電特性，它們是否與常規半導體的行為有偏差，即磁流體是否會引起新的有趣的物理現象，這仍然有待確定。

創 新 及 結 論

Alberto F. Morpurgo教授團隊通過在基於不含雜質的CrI3晶體的納米製造器件上進行運輸和光學測量來研究這些問題，發現幾個鐵磁范德華半導體的價帶和導帶完全自旋極化，這意味著磁態和其他電子性質之間的耦合非常強。在所研究的所有器件中，他們發現隧穿磁阻高達10,000％，他們研究了磁場隨溫度的變化，在所有現有實驗觀察的基礎上討論其微觀性質，推測該現象可能起源於不同磁性狀態的多重轉變。這種觀察到的隧道勢壘對其磁性狀態的電導依賴關係，表明在磁性范德瓦爾斯半導體中存在運輸和磁性之間的強耦合。

一直以來，這些材料都因其優良的光電運輸特性而吸引了研究者們的廣泛關注，但實際上，它們在磁電響應方面也發揮了重要的作用。本次實驗觀察到隧道勢壘對其磁性狀態存在著強烈的依賴關係，而這種強依賴關係在以往的研究中並未被觀測到。同時，鐵磁范德華半導體中的這類獨特物理現象的發現也從另一方面證明了其所存在著的巨大研究潛力。

圖 文 速 覽

圖一 CrI3的半導體特性

a：與封裝在六方氮化硼（hBN）晶體之間的少量石墨烯接觸；

b：CrI3場效應晶體管的偽彩色光學顯微照片；

c：由底部和頂部多層石墨烯接觸組成的異質結構；

d：偽彩色光學顯微照片；

e:在室溫下測量的b場效應晶體管的傳輸特性；

f:零偏置光電流(黑實線)和光致發光強度(紅實線)對光子激發能量的依賴性。

圖二幾層CrI3垂直連接中的電子隧道效應

a. 在圖1d所示的器件上測量的電流作為在0.25至70K範圍內的石墨烯觸點之間施加的偏壓的函數。在T = 20K以下，I-V曲線與溫度無關；

b. 在不同偏置電壓（0.35,0.5和0.7 V）下測得的電阻的阿倫尼烏斯圖；

c.在隧穿態（即對於T

圖三垂直連接中的大隧穿磁阻

a-f：圖1d所示器件的隧道電阻（左軸）和電阻比R（B）/ R（2T）（右軸），在每個圖中標明溫度下測量（V = 0.5 V和B垂直於CrI3層施加）。電阻率隨溫度降低而增加，在10K時達到8,000％。所有躍遷都隨溫度升高而向低的場值移動，並在50K以上時消失。

圖四CrI3中磁態的溫度和磁場演變

a.圖1d所示器件電阻的彩色圖（以對數標度表示），顯示出磁阻特徵出現在T?51K；

b.在不同的B固定值下電阻對T的依賴性（以對數標度表示）：在低溫下獲得三個不同的值，對應於CrI3的不同磁性狀態；

c.在B = 0 T時測得的電阻的T依賴性，鐵磁轉變在61 K左右；

d.跳躍位置J1的溫度依賴性。

圖五幾層CrI3中的磁光克爾效應

a.5K下在同一器件上測量Kerr角（實線，左軸）和磁阻（虛線;以電阻比R（B）/ R（2T）繪製的數據，右軸）之間的比較。Kerr角在磁場值處表現出跳躍，這與在磁阻中觀察到的跳躍完全一致；

b，c.作為磁場的函數，分別在20K和40K測量的Kerr角。隨著溫度升高，這些特徵向低場方向移動並且變得更寬。

圖六 CrI3的磁性狀態和隧道電阻之間的耦合

a.磁場B範圍在和3T之間的，ln（I / V2）作為1 / V的函數的曲線顯示具有B-T依賴性（T = 10K）的近似線性行為；

b.從a中曲線斜率中提取的勢壘具有高度的磁場依賴性。

Reference

[1]Castro Neto, A. H., Guinea, F., Peres, N. M. R., Novoselov, K. S. & Geim, A. K.The electronic properties of graphene.Rev. Mod. Phys.81, 109–162 (2009).

[2]MacDonald, A. H., Schiffer, P. & Samarth, N. Ferromagnetic semiconductors: moving beyond (Ga,Mn)As.Nat. Mater.4, 195 (2005)

[3]Dietl, T. & Ohno, H. Dilute ferromagnetic semiconductors: physics and spintronic structures.Rev. Mod. Phys.86, 187–251 (2014).

文章鏈接

作者：方 軻

審核：顏學俊

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