非易失电调控二维双极磁性半导体VSeF的自旋极化

磁性材料以电子自旋自由度作为信息存储、传输和处理的基础。在自旋电子学领域，巨磁电阻效应和隧道磁阻效应是最常用的磁读技术。然而，对于磁写技术，传统的磁场改变磁性材料磁化方向的方式耗能且效率低，因此人们渴望利用电实现磁写技术。双极磁性半导体的价带顶和导带底分别由自旋极化相反的能带贡献，通过电场操控材料内的自旋极化电流方向，实现更为高效和低能耗的磁存储方式。然而，电场调控自旋极化是一种易失性方式。

中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队借助第一性原理计算理论预测了一个具有双极磁性半导体性质的二维材料VSeF，其铁磁居里转变温度为66 K。并受到铁电体具有可翻转自发内建电场的启发，团队提出了一种通过引入铁电栅压门来实现非易失性操控双极磁性半导体自旋极化电流的策略。通过理论计算，团队发现在由VSeF与Al₂Se₃铁电体组成的异质结中，VSeF层铁磁半金属/半导体间的转换以及自旋极化向上/向下电流间的转换可分别由单层Al₂Se₃铁电与双层Al₂Se₃铁电基底调控实现。基于这些新颖可控的多铁异质结，该团队进一步设计了多铁存储器和自旋阀等两类自旋场效应晶体管。该研究还发现铁电基底与双极磁性半导体VSeF界面间的电荷掺杂效应能有效地提升VSeF的铁磁转变温度，并且随着载流子掺杂浓度的提高，VSeF铁磁转变温度的提升更为明显。该研究为调控双极磁性半导体载流子自旋极化提供了一种有效节能的策略，这将促进双极磁性半导体在未来自旋电子学领域的探索与应用。

以上工作以" Nonvolatile electrical control of spin polarization in the 2D bipolar magnetic semiconductor VSeF"为题发表于npj Computational Materials上[npj Comput. Mater., 9, 50 (2023)]，该工作得到了国家自然科学基金(61888102, 52102193, 52272172, 11974045, 92163206)，国家重点研发计划(2021YFA1201501)和中科院B类先导专项(XDB30000000)等项目的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41524-023-01005-8
 

图1：VSeF单层的原子结构与磁学性质。

图2：VSeF的电子结构与双极磁性半导体属性的来源。

图3：铁电门操控双极磁性半导体的示意图与VSeF/Al₂Se₃双层异质结。

图4：VSeF/双层Al₂Se₃三层异质结。

图5：铁电基底对VSeF的掺杂效应。