深圳大學高等研究院李曉光研究員課題組在Elsevier出版社Applied Surface Science（影響因數：6.18，中科院一區）上發表論文，題為“Hole doping induced half metallic itinerant ferromagnetism and giant magnetoresistance in CrI3 monolayer”。該工作系統討論了載流子摻雜對二維磁性材料CrI3的調控以及對其自旋輸運性質的影響。團隊成員於勝博士為論文第一作者，李曉光研究員為論文唯一通訊作者。該工作由深圳大學與美國喬治梅森大學共同完成，深圳大學高等研究院為第一完成單位和通訊組織。
具有各向異性的單原子層二維資料可以突破Mermin-Wagner定理中二維各向同性海森堡模型在有限溫度內自發磁化是不存在的限制，從理論上指出了本征二維鐵磁資料存在的可能性，這一論斷在2017年，在實驗上得到了驗證。華盛頓大學的Xu Xiaodong教授課題組在實驗上成功剝離出單原子層的CrI3，並首次發現其具有二維的內禀鐵磁性（Nature，2017546270-273）。至此，掀起了近年來圍繞二維磁性材料的研究熱潮。二維磁性材料既是構造自旋電子學器件的基礎，又是研究各類新奇物理現象的平臺，囙此對其物理性質的有效調控是當前物理研究的前沿及熱點方向。相比於其它調控手段，載流子摻雜更容易實現二維磁性材料由電晶體向半金屬/金屬的相變，從而對其磁性，如原子磁矩、資料居裡溫度以及其自旋輸運性質進行有效的調控。
李曉光研究員課題組通過第一性原理計算結合蒙特卡洛分析方法探討了空穴摻雜對單原子層CrI3磁性的影響。本研究表明摻雜引入了巡遊電子鐵磁性，從而加强了磁性離子間海森堡交換作用。資料居裡溫度在8.49×1014 cm-2摻雜濃度下由45K的低溫（非摻雜下）提高至室溫以上。在一定的摻雜濃度下，費米能級附近可以實現接近100%的自旋極化率。本研究同時利用第一性原理結合非平衡態格林函數方法類比了其在空穴摻雜下的自旋輸運性質，表明在一定摻雜濃度下自旋電子的磁阻率能達到104以上。該研究表明摻雜狀態下的單原子層CrI3在自旋場效應電晶體以及自旋電子學中具有廣泛的應用前景。
該研究得到國家自然科學基金委、中國博士後科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金相關項目支持。
原文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433220324508
圖注：（a）單原子層CrI3自旋輸運模型示意圖。（b）自旋輸運、（c）磁阻率及（d）原子磁矩與溫度關係曲線受到空穴摻雜的影響。