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《宁波材料所在人工二维铁电金属研究方面取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-06-19

  • 目前普遍认为，铁电材料都是绝缘体，这是由于导体中的自由电子会完全屏蔽电偶极矩，从而无法形成长程铁电序。然而，1965年诺贝尔物理学奖获得者P.W.Anderson与其合作者E.I.Blount预测了一种特殊的量子态——铁电金属，即材料中铁电性和金属性共存。半个多世纪以来，科学家一直在苦苦寻找室温二维铁电金属材料，就像寻找水与火共存的材料，极其稀有。

    　　最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院磁性材料与器件重点实验室的曹彦伟研究员(第一作者和通讯作者)与其合作者在此方向实现了突破。他与来自美国罗格斯大学、布鲁克海文国家实验室、加州大学伯克利分校、宾州州立大学、阿贡国家实验室、伯克利国家实验室等单位的研究人员合作，利用原子级精度的激光分子束外延技术制备了高质量的室温二维铁电金属BaTiO3/SrTiO3/LaTiO3（如图），实现了界面二维电子气的铁电极化，以及电荷、轨道、铁电极化的周期性调控。该工作不但实现了人工室温二维铁电金属的制备，更为设计具有铁电、铁磁和超导三相共存的二维量子材料提供了思路，有望推动新型量子器件的应用。该研究工作于2018年4月18日以“Artificial two-dimensional polar metal at room temperature”为题发表在Nature Communications（DOI:10.1038/s41467-018-03964-9）上（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03964-9），并被选为编辑推荐文章，作为亮点工作报道（Editors’ highlights）。

    　　该工作部分得到了中国科学院“相关人才计划”、宁波市“3315创新团队”、宁波材料所“团队人才”计划的支持。

  • 原文来源：http://www.nimte.cas.cn/news/progress/201806/t20180615_5027369.html
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  • 《宁波材料所在量子材料研究方面获得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-01-12
    • 磁斯格明子是一种非共线磁涡旋结构并受拓扑保护的准粒子。磁斯格明子因其可以做到纳米尺寸、非易失且易驱动从而被认为在下一代自选电子学器件如信息存储、逻辑运算或者神经网络技术等领域将会扮演重要角色。磁斯格明子的形成通常是由使磁矩倾向于垂直排列的反对称交换耦合（Dzyaloshinskii-Moriya interaction，DMI）引起的。DMI同时也是凝聚态物理等基础科学研究中的一个重要物理相互作用，所以DMI的研究和磁斯格明子的研究已然成为当前自旋电子学领域，同时也是量子材料研究热点。 　　 DMI的出现要求打破磁性材料的空间反演对称性以及强的自旋轨道耦合作用（spin-orbital coupling，SOC）。因此目前实验上大多利用磁性薄膜和具有强SOC的重金属薄膜形成异质结来诱导出大的DMI，从而实现磁斯格明子态。但这些材料在实际应用过程中仍有诸如如何保证磁斯格明子的室温稳定性、可控读写和高密度等许多问题亟需解决。另一方面，近年来随着二维铁磁性薄膜的发现，二维材料在自旋电子中的应用越来越受到人们的重视，人们期待能在这些新材料中实现室温稳定可控的磁斯格明子。但是目前已制备出的二维铁磁材料如CrI 3 ，VSe 2 和Fe 3 GeTe 2 等单层薄膜，由于它们晶体结构对称性约束，导致它们都不能产生DMI，这就限制了它们在磁斯格明子领域的应用。为此人们需要探究如何才能在二维磁性材料中诱导出大的DMI，并且实现对磁斯格明子态的调控。 　 　近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队杨洪新研究员一直致力于磁斯格明子材料的研究（ Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Phys. Rev. Lett. 124, 217202 (2020); Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015); Phys. Rev. B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020) 等）。近期，该团队提出利用二维多铁材料内禀的Rashba效应，不仅可以诱导出大的DMI，还能实现人们一直寻求的电场调控磁斯格明子。该工作开辟了二维材料中通过多铁性实现磁斯格明子的一体化电学调控新领域，以题为“Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics”的论文以Rapid Communication形式发表在 Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020) 。 　　 该团队注意到在具有垂直电极化的二维多铁材料中，其自发电偶极矩导致的电势差会在薄膜中产生强的Rashba效应，由此可以使传导电子在磁性原子间传递DMI，而不要额外的重金属元素来提高材料的SOC。并且利用二维多铁材料的磁电耦合，通过外加电场使电极化矢量翻转的同时也可实现DMI手性的翻转，如图1（a）所示。利用二维多铁材料的这一特性，可以在单一的二维多铁材料中实现可以相互转换的具有不同手性和极性的磁斯格明子态，如图1（b）所示。这可为利用磁斯格明子实现多态存储提供新的思路。为了实现以上的构想，该团队研究了CrN单层薄膜等多种二维多铁材料。他们首先通过第一性原理计算发现CrN单层薄膜中的确出现了DMI并且其大小达到了3.74meV /f.u.。通过分析DMI的能量来源，他们分析发现由简单的Rashba模型出发计算的DMI系数和直接从第一性原理计算得到的DMI是一致的。这两方面的分析表明CrN单层薄膜中的DMI是由体系Rashba效应导致的。利用计算的DMI等磁性参量，他们通过微磁模拟确认了在CrN单层薄膜可以实现磁斯格明子态。最后他们研究了电场对CrN单层薄膜的结构和磁性性质调控，并发现通过外加电场的确可以实现CrN单层薄膜的DMI大小和手性翻转。综合以上研究，研究者们提出了在CrN单层薄膜中可以实现电场对磁斯格明子的翻转调控。 　　该工作由梁敬华助理研究员，崔琪睿博士和杨洪新研究员合作完成。该工作得到了中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-7021）、国家自然科学基金（11874059）、浙江省相关人才计划（LR19A040002）等项目支持。
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  • 《宁波材料所在低维量子功能材料电子结构研究方面获得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-12-28
    • 自从石墨烯被发现以来，二维材料由于具有迷人的特性和广泛的应用前景而得到了研究者的关注。受到石墨烯的不寻常特性与其平面蜂窝状结构密切相关的启发，目前已有许多二维蜂窝状材料，如硅烯、锗烯和磷烯等，得到了广泛的研究。然而，大多数已报道的二维蜂窝状材料是由p电子元素组成的，而由d电子元素组成的二维蜂窝状材料却很少见。许多具有d电子的过渡金属元素可以以自旋极化磁性离子的形式存在。因此，利用过渡金属的二维蜂窝状材料有望于实现二维磁性，它们是二维铁磁体的强力候选者。 　　第一个过渡金属的蜂窝状结构是生长在Ir（111）衬底上的铪烯。同许多其它过渡金属的单层蜂窝状材料类似，理论预言，铪烯于其布里渊区的K点具有狄拉克锥型的电子结构以及可能具有铁磁特性。不过，也有一些理论计算认为，铪烯的狄拉克锥型电子结构可能会被Hf原子和衬底Ir原子之间的比较强的相互作用所淬灭，其铁磁特性也会被抑制。因此，利用角分辨光电子能谱（ARPES）观测铪烯的电子结构的直接实验证据就显得很重要，可以解决以上理论计算的争议。 　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队何少龙课题组肖绍铸等人利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接测量了在衬底Ir（111）上生长的铪烯（hafnene）的电子结构。研究发现，在费米能级附近，Ir衬底上的铪烯（hafnene）的电子结构是简单的位于布里渊区Γ点的抛物锥型电子口袋（electron pocket），如文末图所示，可以视为二维电子气的能带结构，电子有效质量为1.8 me,电子气密度为7 × 1014 cm-2。结合理论计算分析，研究人员认为，自旋轨道耦合（SOC）和铪原子的较强的Hubbard相互作用的存在抑制了先前理论预测的狄拉克锥型电子结构；铪烯中的铪原子和衬底的铱原子之间的相互作用淬灭了铪烯中的大部分能带，以致幸存的能带为二维电子型的能带。此研究结果具有两方面的重要意义：一方面，hafnene/Ir（111）界面出现的二维电子气型能带结构为与衬底有相互作用的强耦合二维系统的电子结构提供了新的见解；另一方面，为了探索铪烯的本征电子结构，需要通过更换衬底或者采取类似石墨烯研究中通常采用的插层方法来避免衬底的影响。此研究为基于铪烯以及其它过渡金属蜂窝状材料的潜在器件应用提供了关键信息。 　　该工作以“Direct evidence of two-dimensional electron gas-like bandstructures in hafnene”为题发表在Nano Research期刊上,并被选为封底文章（线上版本链接：https://rdcu.be/cDjcc）。该工作得到国家重点研发计划（2017YFA0303600、2020YFA0308800）、国家自然科学基金（11974364、11674367、U2032207、92163206、11974045、61725107）、浙江省自然科学基金（LZ18A040002）、宁波市自然科学基金（2018B10060）和宁波3315项目的支持。
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