西安交大科研人员在过渡族金属硫族化合物应变调控半金属性领域取得新进展

传统的自旋阀调控主要利用施加外磁场或自旋动量矩转移等方法，然而这些方法在实际应用中需要器件中电流密度较高，从而导致器件能量消耗较高。这会引起高能耗带来的高温，使得器件稳定性降低、能量浪费和效率低下。低能耗的自旋阀依然是自旋电子学微型化器件研究中的重要问题，面临巨大挑战。为了解决这一问题，许多研究人员尝试利用外加电场应变取代外磁场或自旋动量矩来调控两个铁磁层的磁化取向用以降低自旋阀的能耗，或通过磁致伸缩材料制成基本的自旋阀结构，进而将自旋阀与铁电性（压电性）基底进行耦合，以此获得“应变”调控的自旋阀结构。这些方法虽然可以降低器件能耗，但同时使得自旋阀本身的结构更加复杂，不利于实际制备和应用。因此，如何简化自旋阀结构使其便于制备，也是自旋电子学器件的实际应用中的重要研究课题。

(a)1T’相应变调控的半金属性转变; (b)局域应变控制的单一CrS2自旋阀结构

近日，材料学院邓俊楷教授同澳大利亚墨尔本大学Zhe Liu副教授、理学院杨森教授合作，通过第一性原理计算，系统研究了IV，V和VI族的所有二维TMDs的可能组合，即27种材料的各自2H、1T和1T′三种不同相，共81种可能组合。研究结果显示，在众多的TMDs材料中，二维CrS2具有最为丰富的电子性能和磁学性能，这些性能可以满足自旋阀的所有要求，包括具有反铁磁金属性的1T相，非磁性半导体的2H相和铁磁半导体性的1T′相。除此之外，通过对1T′相施加拉伸或压缩应变，基态的铁磁半导体性会转变为自旋向上或自旋向下的半金属性（图a）。这种应变调控的自旋极化半金属性转变现象在前人的研究中未见报道。基于CrS2中的应变调控诱发的半金属性及其他丰富的电子性质，可以使用该材料构建二维横向异质结自旋电子学器件。由于该器件材料单元，结构简单，并具有低能耗的特点，因此有望用于设计应变调控的自旋阀逻辑运算器件（图b）。

本项研究成果最近以“Diverse electronic and magnetic properties of CrS2enabling strain-controlled 2D lateral heterostructure spintronic devices”为题发表在国际期刊NPJ Computational Materials（IF=12.24）上。这是西安交通大学材料学院邓俊楷教授和澳大利亚墨尔本大学Zhe Liu副教授在“二维智能材料”领域合作发表的第8篇研究论文（包括JACS论文2篇，Nature Communications论文1篇，Nanoscale论文1篇，PRB论文1篇，PRApplied论文1篇，APL论文1篇）。西安交通大学为本论文的第一作者和第一通讯单位，论文第一作者陈凯运是材料学院邓俊楷教授和物理学院杨森教授合作培养的博士生。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、港澳与海外学者合作研究基金项目、创新群体项目，以及和中央高校基本科研业务费的资助。研究工作主要在校级高算平台上完成。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-021-00547-z