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【科技自立自强】盛京棋牌科研人员在二维材料能谷极化研究方面取得系列重要进展

日期：2025-03-19 19:10 浏览量：

随着器件尺寸不断减小、集成度不断提高，摩尔定律逼近物理极限，器件的功耗问题成为制约其发展的瓶颈。一种有前景的解决途径是寻找信息传输的新方式。近年来，能谷自由度被理论提出和实验证实。为了便于谷电子的应用，要求能谷极化具有非易失性，切需要在两个能谷极化态之间自由切换。目前，有两大类实现能谷极化切换的方法。一类是通过铁电打破空间反演对称性，使能谷极化方向和铁电极化方向锁定，在外电场作用下实现自由切换。另一类方法是利用磁性打破时间反演对称，这类材料是具有本征磁性的二维能谷极化半导体。但这类材料难以实现能谷极化态之间的切换。因此，需要与铁电材料形成异质结构，这将增加器件制造的难度。此外，在同一材料中实现多类型能谷极化是极具挑战性，但这将拓宽铁谷材料的应用场景。

西安交通大学材料学院李平副教授和研究生吴超提出利用二维材料结构相变实现磁性、铁电和铁谷三铁序共存和多类型能谷极化的机制。1T和2H相OsBr₂单层分别呈现非磁性半导体和具有175.49 meV能谷极化的铁磁性半导体。有趣的是，1T相OsBr₂双层由于晶格对称性破缺展现出三态能谷极化，而2H相双层的能谷极化则源于时间反演对称性破缺和自旋-轨道耦合的共同作用。此外，1T相AB层和2H相AA层的能谷极化和铁电极化可以通过层间滑移来调控。重要的是，作者证实了Li⁺离子插入可以使2H相转变为1T相，而1T相可以通过红外激光诱导发生结构相变为2H相。该工作为调控能谷极化提供了一种可行的策略，并为非易失性纳米器件的设计提供思路。

该研究成果以《二维材料结构相变实现三铁序共存和多类型能谷极化》(Coexisting Triferroic and Multiple Types of Valley Polarization by Structural Phase Transition in 2D Materials)为题发表于国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文的第一作者和第一通讯单位，材料学院研究生吴超为论文的第一作者，李平副教授为论文唯一通讯作者。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501506

此外，针对铁磁体系的能谷极化易受外部磁场干扰。相比之下，反铁磁材料具有零净磁矩、抗磁扰动性强、超高存储密度和超快响应速度等优势。该团队预言了单层反铁磁材料MnBr具有自发能谷极化特性。通过有效哈密顿量分析，其价带顶在K和K′点处的谷劈裂为21.55 meV，源于Mn的d_x_2-y2轨道贡献。值得注意的是，尽管单层MnBr在整个动量空间中贝里曲率为零，但其自旋层锁定的贝里曲率非零，可以实现层谷自旋霍尔效应，并且为反常谷霍尔效应提供了先决条件。此外，谷劈裂的大小可通过应变、磁场、外加电场以及内建电场等多物理场有效调控。外电场和内建电场通过打破空间反演对称性诱导自旋分裂，从而实现自旋层锁定的反常谷霍尔效应。值得注意的是，铁电衬底Sc?CO?可调控MnBr从金属态转变为谷极化半导体。这些发现不仅拓展了反常谷霍尔效应的实现途径，还为设计低功耗、非易失性谷电子器件提供了新平台。

该研究成果以《多场调控二维反铁磁MnBr能谷劈裂和反常谷霍尔效应》(Multifield tunable valley splitting and anomalous valley Hall effect in two-dimensional antiferromagnetic MnBr)为题发表于国际著名期刊《物理评论B》(Physical Review B)。联培研究生王一丁和西安交通大学材料学院研究生孙涵博为共同第一作者，西安交通大学李平副教授、铜仁学院佘彦超和张蔚曦教授为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.085432

该团队在铁电衬底调控反铁磁能谷极化研究的基础上。系统性探索铁电衬底Sc₂CO₂调控反铁磁Mn₂P₂S₃Se₃实现金属态到谷极化半导体态转变的物理起源。揭示了这种相变的微观机制源于电荷转移和能带对齐。此外，他们还发现Sc₂CO₂的极化方向转变可以有效调控贝里曲率偶极子。基于这一发现，该团队提出了通过非线性霍尔效应器件来检测金属—谷极化半导体相变的方法。这一发现不仅为调控谷自由度提供了一种方案，还为设计非线性霍尔效应器件提供了有前景的平台。

该研究成果以《范德华异质结Mn₂P₂S₃Se₃/Sc₂CO₂体系实现铁电调控能谷极化金属-半导体相变应用于非线性霍尔效应器件》(Ferroelectric tuning of the valley polarized metal-semiconductor transition in Mn₂P₂S₃Se₃/Sc₂CO₂ van der Waals heterostructures and application to nonlinear Hall effect devices)为题发表于国际著名期刊《物理评论应用》(Physical Review Applied)。西安交通大学材料学院研究生孙涵博和本科生任晔伟为共同第一作者，西安交通大学李平副教授、铜仁学院张蔚曦教授为论文共同通讯作者。