第一作者：王志，張桐耀，丁美，董寶娟
通訊作者：韓拯, 楊騰，陳院森
電調(diào)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(diào)控特性，將會為自旋閥等自旋器件增加一個具有巨大應(yīng)用前景的調(diào)控自由度，從而實現(xiàn)自旋場效應(yīng)管。近年來，隨著二維范德華材料家族的發(fā)展, 各種新物理現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)。二維范德華材料主要優(yōu)勢之一，是由于Z軸維度降低，原有塊體中的靜電屏蔽減弱，從而可以對本征二維半金屬或者半導體構(gòu)建場效應(yīng)器件，用來做傳感器或者邏輯運算器件。在范德華材料中，少數(shù)層磁性二維半導體材料目前在各領(lǐng)域得到廣泛研究，產(chǎn)生了諸多有趣的物理現(xiàn)象。然而，基于半導體磁性二維材料的場效應(yīng)器件至今研究甚少，而靜電場調(diào)制其磁性的研究更是缺乏。
近期，我校材料學院湖南省團隊百人計劃丁美教授與中科院金屬所韓拯研究員，張志東研究員，山西大學光電研究所陳院森研究組、金屬所楊騰副研究員、重慶大學孫立東教授等合作，聯(lián)合國內(nèi)外多家單位成功在Cr2Ge2Te6少數(shù)層本征鐵磁二維半導體中利用固態(tài)門電壓調(diào)控手段，實現(xiàn)了電荷與自旋的雙重雙極全電操控。該工作于7月2日在Nature Nanotechnology（影響因子：37.49） 雜志在線發(fā)表。
團隊采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，將3.5nm厚Cr2Ge2Te6少數(shù)層材料封裝于兩層氮化硼之中，通過微納米加工手段制備得到場效應(yīng)器件，并進行系統(tǒng)的低溫電學與磁學測量。電輸運測量表明，少數(shù)層Cr2Ge2Te6在鐵磁居里溫度（～65K）以下，保持了載流子導通性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電子與空穴的雙極場效應(yīng)。室溫下源漏1V電壓得到最大開態(tài)電流達數(shù)十微安，開關(guān)比達到104以上。居里溫度以下的低溫微區(qū)磁光Kerr測量表明，該型納米器件在門電壓調(diào)控下，磁性亦能得到有效調(diào)控，并且與電輸運相仿，存在雙極門電壓可調(diào)特性。證實了基于二維范德華鐵磁半導體的自旋場效應(yīng)器件的可行性。
少數(shù)層Cr2Ge2Te6是目前已知的首個擁有內(nèi)稟自旋和電荷態(tài)密度雙重雙極可調(diào)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征鐵磁半導體材料。該工作為繼續(xù)尋找室溫本征二維鐵磁半導體提供了一定的指導意義。同時，由于二維材料通常具備可大規(guī)模制備與柔性可穿戴等特性，發(fā)展前景十分廣闊。
包括北京大學、長沙理工、重慶大學、日本東京中央電力研究所在內(nèi)的多家單位參與了本工作。長沙理工大學材料科學與工程學院丁美教授、金屬研究所博士生王志、博士生董寶娟、山西大學博士生張桐耀為本文共同第一作者。韓拯研究員、楊騰副研究員、陳院森為共同通訊作者。
該項工作得到了湖南省團隊百人計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)項目、沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室等資助。
本工作的完成，實現(xiàn)了長沙理工大學在影響因子>30 的Nature 子刊發(fā)表文章的零突破。
圖1.少數(shù)層Cr2Ge2Te6范德華異質(zhì)結(jié)器件的制備及其電荷載流子的場效應(yīng)曲線。
圖2. 少數(shù)層Cr2Ge2Te6的載流子與自旋的雙極電場操控。
文圖：范金成/何小勇 審稿：張國強
