Nature子刊：铁谷材料及其反常霍尔效应

【引言】

自石墨烯发现以来，谷电子学的概念就吸引了研究者极大的关注。与电子学和自旋电子学中电子的电荷和自由度类似，谷电子学中的谷自由度也具有二元态。这直接导致了很多新现象的发现，并提供了其在信息存储领域应用的可能性。在谷电子学材料中，2H相的单层过渡金属硫化物（TMDs）在应用领域和有效调控谷指数方面是最具前景的。至于中心对称的石墨烯，空间反演对称对2H相TMDs会导致谷霍尔效应和谷依赖的光学选择规则的产生。尤其是对于重过渡金属，其中固有的电子自旋轨道耦合和非中心对称的共同作用会使得电子自旋和谷自由度之间发生强烈的耦合。对很多TMDs单层材料来说，因为其中的谷并非极化，所以不能直接应用于信息存储领域。类比于顺电性和顺磁性材料，它们可称为顺谷性材料。所以，谷电子学中的关键挑战就在于打破谷之间的简并，并使之极化。目前，人们已经使用了力场、电场、磁场或者光场来使材料中的谷发生极化，然而，这些方法的致命缺陷就在于外加场的撤离会使材料回到顺谷状态，无法长久保持。因此，寻找一种可以自发谷极化的材料就成为解决问题的关键。

【成果简介】

最近，来自华东师范大学的段纯刚教授（通讯作者）等人发现了多铁体材料中的新成员——铁谷体，并对其在信息存储领域的应用以及反常霍尔效应方面的性质进行了深入的研究，其研究成果以“Concepts of ferrovalley material and anomalous valley Hall effect”为题发表在2016年12月16日的Nture Communications上。

文中结合k.p模型和第一性原理计算研究了2H相的单层VSe₂材料，结果表明，其中同时存在着电子自旋耦合和内秉交换作用，并且，2H相的单层VSe₂是一种室温的铁谷材料。此外，实验还进步预测此系统可以证明诸如手性依赖的光禁带和反常霍尔效应等现象。文章最后还展望了其在非易失性随机存储器和谷过滤器方面的应用。

【图文导读】

图12H相的单层材料中K₊和K_-处的能带结构

（a）无自旋轨道耦合（SOC）效应

（b）有自旋轨道耦合（SOC）效应

（c）自旋轨道耦合（SOC）效应和正交换场共同作用

图2单层的2H相VSe₂的能带结构

（a）有SOC效应无铁磁性

（b）有磁矩无SOC效应

（c）既有磁矩又有SOC效应

（d）既有磁矩（无相反磁矩）又有SOC效应

图3单层VSe₂介电函数的虚部

（a）在正磁矩作用下

（b）在相反磁矩作用下

图4单层的2H相VSe₂内的能带比较及其贝里曲率

（a）分别由k.p模型和第一性原理得到的能带比较

（b）k空间的贝里曲率等高线

（c）k点得到的贝里曲率总和及其对正谷极化的空间反演

（d）k点得到的贝里曲率总和及其对负谷极化的空间反演

图5基于空穴掺杂的铁谷材料在反常霍尔效应作用下的信息存储图

图中“+”标注的载流子为空穴，红色向上和蓝色向下的箭头分别代表自旋向上和自旋向下的载流子

【小结】

本文研究了以2H相VSe₂为代表的单层过渡金属硫族化物的自发自旋极化性质，提出了铁谷体的新概念，扩充了多铁体材料的种类，并对其基于反常霍尔效应的存储特性进行了研究，指出了其作为未来非易失性存储材料的应用前景，为存储工业未来的发展提供了新的可能。

文献链接：Concepts of ferrovalley material and anomalous valley Hall effect（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms13612）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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