二維本徵鐵磁半導體研究獲進展

電調控磁性是自旋電子學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控特性，將會為自旋閥等自旋器件增加一個具有巨大應用前景的調控自由度，從而實現自旋場效應管。近年來，隨著二維范德華材料家族的發展，各種新物理現象不斷湧現。二維范德華材料主要優勢之一是由於Z軸維度降低，原有塊體中的靜電屏蔽減弱，從而可以對本徵二維半金屬或者半導體構建場效應器件，用來做感測器或者邏輯運算器件。在范德華材料中，少數層磁性二維半導體材料目前在各領域得到廣泛研究，產生了諸多有趣的物理現象。然而，基於本徵鐵磁半導體二維材料的場效應器件至今研究甚少，而靜電場調製其磁性的研究更是缺乏。

近期，由中國科學院金屬研究所研究員張志東、韓拯主導，在山西大學光電研究所陳院森研究組、金屬所副研究員楊騰、長沙理工大學教授丁美的主要合作下，聯合國內外多家單位成功在 Cr2Ge2Te6少數層本徵鐵磁二維半導體中利用固態門電壓調控手段，實現了電荷與自旋的雙重雙極全電操控。該工作於7月2日在《自然-納米科技》（Nature Nanotechnology）雜誌在線發表。

團隊採用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，將3.5 nm 厚 Cr2Ge2Te6少數層材料封裝於兩層氮化硼之中，解決了母材料空氣中穩定性欠佳的問題。通過微納米加工手段製備得到場效應器件，並進行系統的低溫電學與磁學測量。電輸運測量表明，少數層 Cr2Ge2Te6在鐵磁居里溫度（～65 K ）以下，保持了載流子導通性，並且能夠實現電子與空穴的雙極場效應。室溫下施加1 V 源漏電壓，可得到數十微安的開態電流，開關比達到104以上。居里溫度以下的低溫微區磁光 Kerr 測量表明，該型納米器件在門電壓調控下，磁性亦能得到有效調控，並且與電輸運相仿，存在雙極門電壓可調特性。證實了基於二維范德華鐵磁半導體的自旋場效應器件的可行性。

楊騰對該體系做了系統的第一性原理計算和微磁學模擬，計算模擬結果與實驗結果十分吻合。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貢獻的自旋多子態和 Te-p貢獻的自旋少子態，造就了實驗上觀測到的自旋與電荷的雙重雙極場效應。

少數層 Cr2Ge2Te6是目前已知的首個擁有內稟自旋和電荷態密度雙重雙極可調特性、可將信息存儲和邏輯運算集成為同一個單元的二維本徵鐵磁半導體材料。該工作為繼續尋找室溫本徵二維鐵磁半導體提供了一定的指導意義。同時，由於二維材料通常具備可大規模製備與柔性可穿戴等特性，發展前景十分廣闊。

陳院森研究組主導了低溫微區磁光測量；金屬所先進炭材料研究部研究員孫東明、北京大學物理系教授葉堉、長沙理工大學教授丁美在器件製備和分析方面提供了重要支持。包括北京大學、長沙理工大學、重慶大學、日本東京中央電力研究所在內的多家單位參與了本工作。金屬所博士生王志、博士生董寶娟、山西大學博士生張桐耀、長沙理工大學丁美為論文共同第一作者。韓拯、楊騰、陳院森為共同通訊作者。

該項工作得到了國家青年千人計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發項目、瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室等資助。

圖1 少數層 Cr2Ge2Te6范德華異質結器件的製備及其電荷載流子的場效應曲線。

圖2 少數層 Cr2Ge2Te6的載流子與自旋的雙極電場操控。

圖3 少數層 Cr2Ge2Te6中電子／自旋雙重雙極場效應的第一性原理模擬。

來源：中國科學院金屬研究所

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