科技快讯 |极大隧穿磁阻的CrI3层状磁性半导体

磁性层状范德华晶体是一类新兴的材料，可以获得新的物理现象。尽管一直以来研究者对于半导体磁性和运输之间相互作用的探索较少，但最近有研究发现Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃中存在着二维铁磁性。近日，日内瓦大学Alberto F. Morpurgo（通讯作者）教授团队在《Nature communications》杂志上发表了题为“Very large tunneling magnetoresistance in layered magnetic semiconductor CrI₃ ”的文章，他们测量了纯CrI₃晶体的磁电运输特性，发现在垂直于晶面的方向上隧道传导磁阻高达10,000％，CrI₃的不同磁性状态的突然改变，直接显示了运输和磁性的强耦合关系。

对于层状范德瓦尔斯化合物的研究揭示，通过改变原子尺度上的材料厚度可以控制其电子现象[1]。磁性范德华半导体对于研究新的物理现象具有很大价值，在磁性范德华半导体中，磁性可以自发地产生，理论上可以保持完美的晶体结构，而不像传统的磁性半导体需要引入磁性掺杂剂[2,3]。最近的实验表明，在Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃的原子级薄层中出现二维铁磁性，磁性范德瓦尔斯半导体的潜力再次激起研究者们的兴趣。然而，迄今为止，很少有实验来探测它们的运输和光电特性，它们是否与常规半导体的行为有偏差，即磁流体是否会引起新的有趣的物理现象，这仍然有待确定。

Alberto F. Morpurgo教授团队通过在基于不含杂质的CrI₃晶体的纳米制造器件上进行运输和光学测量来研究这些问题，发现几个铁磁范德华半导体的价带和导带完全自旋极化，这意味着磁态和其他电子性质之间的耦合非常强。在所研究的所有器件中，他们发现隧穿磁阻高达10,000％ ，他们研究了磁场随温度的变化，在所有现有实验观察的基础上讨论其微观性质，推测该现象可能起源于不同磁性状态的多重转变。这种观察到的隧道势垒对其磁性状态的电导依赖关系，表明在磁性范德瓦尔斯半导体中存在运输和磁性之间的强耦合。

一直以来，这些材料都因其优良的光电运输特性而吸引了研究者们的广泛关注，但实际上，它们在磁电响应方面也发挥了重要的作用。本次实验观察到隧道势垒对其磁性状态存在着强烈的依赖关系，而这种强依赖关系在以往的研究中并未被观测到。同时，铁磁范德华半导体中的这类独特物理现象的发现也从另一方面证明了其所存在着的巨大研究潜力。

a：与封装在六方氮化硼（hBN）晶体之间的少量石墨烯接触；

b：CrI₃场效应晶体管的伪彩色光学显微照片；

c：由底部和顶部多层石墨烯接触组成的异质结构；

d：伪彩色光学显微照片；

e:在室温下测量的b场效应晶体管的传输特性；

f:零偏置光电流(黑实线)和光致发光强度(红实线)对光子激发能量的依赖性。

a. 在图1d所示的器件上测量的电流作为在0.25至70K范围内的石墨烯触点之间施加的偏压的函数。在T = 20K以下，I-V曲线与温度无关；

b. 在不同偏置电压（0.35,0.5和0.7 V）下测得的电阻的阿伦尼乌斯图；

c. 在隧穿态（即对于T <20 K）中，In（I / V2）与1 / V成线性比例关系，不同的曲线对应于a中不同的温度。

a-f：图1d所示器件的隧道电阻（左轴）和电阻比R（B）/ R（2T）（右轴），在每个图中标明温度下测量（V = 0.5 V和 B垂直于CrI₃层施加）。电阻率随温度降低而增加，在10K时达到8,000％。所有跃迁都随温度升高而向低的场值移动，并在50K以上时消失。

a. 图1d所示器件电阻的彩色图（以对数标度表示），显示出磁阻特征出现在T≅51K；

b. 在不同的B固定值下电阻对T的依赖性（以对数标度表示）：在低温下获得三个不同的值，对应于CrI₃的不同磁性状态；

c. 在B = 0 T时测得的电阻的T依赖性，铁磁转变在61 K左右；

d. 跳跃位置J1的温度依赖性。

a.5K下在同一器件上测量Kerr角（实线，左轴）和磁阻（虚线;以电阻比R（B）/ R（2T）绘制的数据，右轴）之间的比较。Kerr角在磁场值处表现出跳跃，这与在磁阻中观察到的跳跃完全一致；

b，c.作为磁场的函数，分别在20K和40K测量的Kerr角。随着温度升高，这些特征向低场方向移动并且变得更宽。

a. 磁场B范围在0和3T之间的，ln（I / V²）作为1 / V的函数的曲线显示具有B-T依赖性（T = 10K）的近似线性行为；

b. 从a中曲线斜率中提取的势垒具有高度的磁场依赖性。

[1]Castro Neto, A. H., Guinea, F., Peres, N. M. R., Novoselov, K. S. & Geim, A. K.The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys. 81, 109–162 (2009).

[2]MacDonald, A. H., Schiffer, P. & Samarth, N. Ferromagnetic semiconductors: moving beyond (Ga,Mn)As. Nat. Mater. 4, 195 (2005)

[3]Dietl, T. & Ohno, H. Dilute ferromagnetic semiconductors: physics and spintronic structures. Rev. Mod. Phys. 86, 187–251 (2014).

Zhe Wang ,Ignacio Gutiérrez-Lezama, Nicolas Ubrig , Martin Kroner, Marco Gibertini,Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe , Ataç Imamoğlu, Enrico Giannini & Alberto F. Morpurgo ,Very large tunneling magnetoresistance in layered magnetic semiconductor CrI₃ ,Nat. Commun.,9:2516(2018). https://www.nature.com/articles/s41467-018-04953-8

作者：方  轲

审核：颜学俊