Nature Materials：二维范德华磁体的电场翻转

【引言】

用纯电学手段控制磁性是下一代信息技术的关键挑战之一。之前人们已经在一些材料系统探索了用电场控制磁性的可能性，包括铁磁（FM）金属、稀磁半导体、多铁性和磁电（ME）材料. 而最近发现的二维（2D）范德华磁体为通过范德瓦尔斯异质结构器件平台在纳米尺度上对磁性进行电控制开辟了一扇新的大门。

【成果简介】

近日，来自Cornell University的物理系的麦建辉(通讯作者)和应用与工程物理学院的单洁 (共同通讯作者)联合团队的姜生伟（第一作者）在Nature Materials发表了题为Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets的文章，首次在晶体结构为中心反演对称的双层CrI₃中发现了完全由自旋序(spin order)控制的磁电耦合效应，并且磁电耦合系数达到了110ps/m，超过了绝大多数单相磁电耦合材料。由于巨大磁电耦合系数,外加较小电压就能产生30%的饱和磁矩，利用该效应可以实现对材料磁性连续可逆地产生与翻转。该文章被nature materials新闻观点作为亮点报道。

【图文导读】

图1：双层CrI₃的晶体结构和磁性相图

a: 单层CrI₃的顶视图与侧视图；

b: AFM双层CrI₃由具有反铁磁层间耦合的两个FM单层组成；

c: 温度与的磁场的函数，插图描绘了不同磁场下双层CrI₃的磁性基态；

d: 双层CrI₃中的磁序的相图。

图2：AFM双层CrI₃中的线性磁电效应

a: MCD信号作为磁场在4K的代表性电场下的函数；

b: 面磁矩的相对和绝对变化；

c: 自旋翻转相变的临界磁场和施加电场函数。

图3：双层和单层CrI₃的磁电响应

对于双层CrI₃，通过在0.8V nm^-1和0V nm^-1下减去M-H曲线获得ME响应。然后通过电场差异对其进行归一化，黑色和红色实线分别是磁场的前向和后向扫描。对于CrI₃单层，在0.34 V nm^-1和-0.34 V nm^-1下减去M-H曲线获得的。

图4：双层CrI₃中磁顺序的电切换

a: 磁化M（右）和标准化的磁化M/Mo（左）作为施加电场E下的函数；

b:在恒定磁场（0.44T）下周期性施加电场来重复切换磁顺序。

【小结】

该团队在AFM双层CrI₃中观察到大的线性ME效应，其使材料中的磁性的电控制成为可能。在AFM-FM自旋翻转相变附近，已经使用场效应器件证明了磁序的可逆电场切换。他们的研究结果证明了2D范德华磁体在电控非易失性存储器、自旋电子和电子器件应用的独特潜力。

文献链接：Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets（Nature Materials.2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0040-6）

Nature Materials对此的评论：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0064-y

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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