二维稀土基铁磁体GdI2中磁各向异性的非易失性电控

《Chinese Journal of Physics》：Nonvolatile electrical control of magnetic anisotropy in the two-dimensional rare-earth-based ferromagnet GdI2

二维稀土铁磁体GdI?与铁电材料In?Se?异质结中，通过调控铁电极化方向，实现了半导体到金属的带隙关闭（0.38 eV→0 eV）和磁各向异性（平面→垂直）的非易失性电场控制。该耦合效应源于界面电荷重排与能带弯曲效应，在300 K以上高温下仍保持稳定，为低功耗自旋电子器件提供了新路径。

　　

Songli Dai|Huan Zheng|Yutao Liu|Quan Zheng|Zean Tian

贵州大学大数据与信息工程学院先进光电材料与技术研究所，贵阳，550025，中国

摘要

下一代自旋电子学的一个关键挑战是在二维（2D）稀土铁磁体中实现电子结构和磁各向异性的非易失性电控制。通过第一性原理计算，我们系统研究了具有强磁电耦合的GdI₂/In₂Se₃异质结构。值得注意的是，反转In₂Se₃单层的铁电极化会诱导GdI₂单层从半导体转变为金属，使其带隙从0.38 eV降低到零，并将磁各向异性能量从面内（每个Gd原子-464.69 μeV）切换到面外（每个Gd原子-289.22 μeV）。这种耦合切换源于极化控制的界面电荷重新分布以及相关的能带弯曲，这有效地调节了Gd-4d和I-p轨道之间的杂化作用——最终决定了磁各向异性的方向。重要的是，这种多铁性控制在300 K以上的温度下仍然稳定，这对于实际应用至关重要。我们的发现为基于2D多铁性的低功耗、非易失性存储器和可编程逻辑器件的开发开辟了有希望的途径。

引言

自从2017年实验上发现CrI₃ [1]和Cr₂Ge₂Te₆ [2]等内在二维（2D）铁磁材料以来，2D磁体迅速成为探索低维磁性和开发下一代自旋电子器件的多功能平台。这些材料表现出高度可调的电子和磁性质，并且与现有的微制造工艺兼容性良好。这种组合使它们特别适合集成到纳米级器件中[[3], [4], [5], [6], [7]]。尽管Mermin–Wagner定理禁止理想的2D各向同性海森堡模型中的长程磁序，但2D磁体中存在的垂直磁各向异性（PMA）有效地抑制了热波动，从而在有限温度下稳定了磁序[8]。

然而，大多数2D内在铁磁体的实际应用（包括CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆）受到两个基本限制的阻碍：居里温度（T_C）低和磁矩小。在各种磁性材料中，基于稀土的化合物具有异常大的磁矩，这源于它们部分填充且高度局域化的4f轨道[[9], [10], [11]]。这一内在特性使它们对外部扰动具有很强的鲁棒性，成为构建稳健、高性能自旋电子架构的理想候选材料。最近的理论研究表明，基于稀土的2D铁磁体GdI₂具有大约每个Gd原子8 μB的较大磁矩和较高的T_C [12,13]。然而，其固有的面内磁各向异性（IMA）对于需要PMA来稳定磁化方向和改善数据保持能力的存储应用来说是一个缺点[[14], [15], [16], [17], [18]]。

在这些系统中控制磁各向异性通常需要强外部磁场或高切换电流，这会导致相当大的能量消耗。因此，实现2D磁体中磁各向异性的非易失性电控制对于开发低功耗的下一代磁存储器和逻辑器件至关重要。最近实验实现的2D铁电材料，如In₂Se₃ [19]和CuInP₂S₆ [20]，为解决这一挑战开辟了新的途径。在范德华（vdW）异质结构中，这些铁电层可以直接在原子尺度上与相邻的2D磁体耦合，从而通过极化切换实现磁性质的非易失性调制。许多理论研究表明，这种磁电耦合在多铁性异质结构中的有效性。典型的例子包括LaCl/In₂Se₃ [21]、FeCl₂/Sc₂CO₂ [22]、Cr₂Ge₂Te₆/Hf₂Ge₂Te₆ [23]、CrI₃/BiFeO₃(001) [24]、NiI₂/In₂Se₃ [25]和RuCl₃/In₂Se₃ [26]，其中界面磁序或磁各向异性能量（MAE）可以通过切换铁电层的极化方向来可逆调节。总体而言，这些发现证实了在2D vdW异质结构中通过电场控制磁性的可行性，并为下一代低功耗多铁性自旋电子学提供了坚实的理论基础。

然而，在这些系统中同时实现有效的室温电控制、电子结构、磁各向异性和磁序，同时保持较大的磁矩仍然是一个重大挑战。基于第一性原理计算，本工作提出了GdI₂/In₂Se₃多铁性异质结构中的显著磁电耦合效应。具体来说，通过In₂Se₃的极化切换，可以将在GdI₂单层中的磁各向异性在面内和面外方向之间切换。机制分析表明，极化反转显著调节了界面电荷转移和能带弯曲，从而重构了电子结构并改变了Gd和I原子对磁各向异性的相对贡献。此外，GdI₂的T_C在两种极化状态下都保持在室温以上。这种基于稀土的材料设计策略，结合了较大的磁矩和室温铁电耦合，为低功耗和非易失性自旋电子器件铺平了道路。

计算细节

计算细节

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算采用投影增强波（PAW）方法进行，该方法在维也纳从头算模拟包（VASP）[[27], [28], [29]]中实现。交换相关泛函采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）在广义梯度近似（GGA）[30]下处理。采用500 eV的平面波能量截止。为了适当考虑Gd-4f电子的强原位库仑相互作用，

结果与讨论

首先，对GdI₂和In₂Se₃单层进行了彻底的结构优化。它们的优化晶格常数分别为4.14 ?（GdI₂）和4.11 ?（In₂Se₃），与之前的DFT研究结果一致[12,13]。GdI₂和In₂Se₃都结晶为六方结构，空间群为P3m1。由于它们的六方晶格对称性，可以通过垂直堆叠这两种单层来构建GdI₂/In₂Se₃ vdW异质结构，从而实现最小的晶格

结论

通过第一性原理计算，我们证明了在2D GdI₂/In₂Se₃多铁性异质结构中电子和磁性质的非易失性电控制。反转In₂Se₃的铁电极化（从P↑到P↓）会驱动从半导体到金属的转变，并将磁易轴从面内切换到面外。这种耦合切换源于极化触发的界面电荷分布重构和相关能带

CRediT作者贡献声明

Songli Dai：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Huan Zheng：撰写——原始草稿，可视化，软件，研究，形式分析，概念化。Yutao Liu：撰写——原始草稿。Quan Zheng：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，软件，资金获取，形式分析。Zean Tian：撰写——审阅与编辑，监督，软件，资源，项目