二维过渡金属硫代亚磷酸盐中磁电耦合效应及电场调控谷极化机制的研究

Along with the rapid development of miniaturization and integration of devices, traditional semiconductor microelectronics, which is based on electronic charge degree of freedom, is facing high energy consumption and low heat dispassion. Valleytronics, which uses the valley degree of freedom to storage and processing information, is expected to break through the bottleneck of traditional microelectronics and provide new ideas for the design of the next-generation electronic devices. Exploring new materials with the intrinsic valley polarization，which also can be controlled and detected by electric field is the key problem to develop the practical valley electronic devices by using the advantage of valley of freedom. In this context, based on our previous research work about valley electronic material, we plan to combine the theoretical model with first-principles electronic structure calculation methods, to find and design two-dimensional multiferroic valley electronic materials, such as transition metal sulfur dephosphates, with intrinsic ferroelectricity, ferromagnetism and valley splitting. We will study the coupling effect between valley degree of freedom, spin degree of freedom and lattice symmetry, reveal the control mechanism of electric field on valley and spin degree of freedom, and explore the new design principle of electronic devices based on electric-field control of valley and spin degree of freedom. It provides a theoretical basis for designing the next generation of information function devices using electric field control principle of valley and spin polarization.

随着电子器件小型化和高集成度的发展趋势，基于电子电荷自由度的传统微电子学面临着高能耗与散热难的重要瓶颈。利用电子谷自由度进行信息储存和处理的谷电子学，有望突破传统微电子学的瓶颈，为下一代电子信息器件的设计提供新思路。探索和寻找具有本征谷极化的材料，并且能通过电场来控制和探测谷极化，是利用谷自由度的优势来发展具有实际应用价值的谷电子器件的关键问题。基于我们在谷电子材料方面的前期研究基础，本项目计划采用理论模型并结合第一性原理材料设计方法，针对过渡金属硫代亚磷酸盐这一类层状材料，探寻设计铁电、铁磁和谷自由度共存的二维多铁谷电子材料，研究此类材料的铁电、铁磁稳定性机制以及谷自由度与结构对称性的关系，揭示此类材料中的磁电耦合效应以及谷-自旋自由度之间的耦合机制，探索电场对自旋和谷自由度的调控机理，为利用电场控制谷和自旋极化原理设计下一代信息功能器件提供理论基础。

随着信息社会的高度发展，小型化、低功耗和高集成度成为下一代信息功能器件的发展方向，磁电耦合型多铁材料在自旋电子器件和高密度信息存储器等方面具有广阔的发展前景，是凝聚态物理和材料物理的研究热点。本项目基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对二维铁磁、铁电半导体及其异质结构进行了系统研究，探究了其磁电耦合的物理机制等，主要研究内容包括：. 1）基于实验上发现的二维铁电半导体材料CuInP2S6，我们提出了一个基于CuInP2S6和锗烯的范德瓦尔斯异质结构CuInP2S6/锗烯，研究发现铁电CuInP2S6通过界面相互作用导致锗烯中两套子晶格不平衡，使它从拓扑绝缘体变成常规半导体，进一步两个相反的铁电极化态导致CuInP2S6和锗烯两套半导体能带具有不同排列形式，最终实现异质结构金属-半导体转变。这是一种纯电场控制的金属-半导体转变，在探索非易失性铁电开关和存储器件方面具有重要应用潜力；. 2）我们通过研究低维材料中的自旋和磁性以及铁电材料中的极化效应，来设计具有强磁电耦合的新型多铁材料，为实现低维磁电器件提供了理论依据。基于实验上已发现的二维铁电半导体材料CuInP2S6和In2Se3，我们分别提出通过构建三种不同的范德华异质结构，即CuInP2S6/InSe、二维铁电材料/零维磁性分子以及二维铁电材料/二维磁性MOF材料来设计二维多铁材料，从而实现磁电耦合；. 3）联合第一性原理计算和蒙特卡洛模拟方法，我们预测了一种居里温度170K的磁各向异性的一维铁磁半导体CrSbSe3，并通过各向异性海森堡模型深入研究了其物理机制。结果表明一维结构的高居里温度主要来源于Cr原子形成的一维双链结构中强铁磁交换相互作用和大的磁各向异性。另外，我们也发现此材料具有磁带结构效应，并从对称性降低和自旋轨道耦合两个方面揭示了其物理机制。该项工作不仅为理解一维磁性系统的物理特性提供了一个全新可行的材料平台，同时对一维自旋电子学也具有重要意义。. 基于上述研究内容我们完成了项目预期指标，共发表SCI期刊论文5篇，项目资助培养硕士生2名。