背景介绍
随着现代信息技术的不断发展，电子器件中数据采集和信息存储/处理的功能多样化越来越受到人们的关注。为了实现高响应速度、高密度、非易失性和低功耗的电子器件，人们一直致力于各种存储结构、存储机制和新材料的研究。在这一方面，多铁材料在电子器件和自旋电子器件中有巨大的应用潜力，该类材料具有磁性和铁电等多种序参量，可以在电场驱动下实现系统信号的改变，如电阻大小、自旋取向变化等等。通过利用电场操控电子自旋而非电荷来实现比特“0”或“1”的翻转，有利于实现器件更小、更快和更节能的目标。在大多数情况下，同时体现磁性和铁电性的单相多铁材料非常罕见，这促使人们研究由不同铁性材料构成的复合体系。多铁异质结通过集成单个磁性和铁电材料，在材料选择和器件设计方面具有很大的灵活性，是磁电器件中非常有潜力的候选材料。值得注意的是，二维多铁异质结界面处的电子重构可能是有趣器件概念的来源。此外，尽管人们已经发现二维异质结界面处的能带结构是影响光响应的关键，但在范德华多铁异质结中同时结合电场和光来调控器件功能的研究并不多见，这也为探索将光学传感、数据存储和处理集成到一个单一器件中创造了契机。
图1. 二维层状磁性/铁电异质结中自旋光电功能原理图。
文章亮点
近日，东南大学王金兰教授课题组在ACS Nano上发表了构筑具有自旋约束光电特性的二维多铁异质结的理论研究。这一工作设计了一种范德华自旋约束光电器件，该器件以结合磁性/铁电异质结中的界面磁电耦合和电子能带结构调控为特点，利用电场翻转铁电层中的电极化方向调制磁性层中的磁态变化实现“写入”功能，并使用非接触式光激励产生自旋极化/非极化电流来实现“读取”功能，这为集成信息的处理和存储提供了可能。
图2.（a）NiI2和（b）In2Se3单层结构俯视图。极坐标系下（c）NiI2单层在xz（蓝色），yz（红色），xy（黑色）平面上磁各向异性能随角度的依赖关系。（d, e）NiI2/In2Se3-P↑和（g, h）NiI2/In2Se3-P↓异质结的原子结构及自旋极化电荷密度分布的俯视图和侧视图。极坐标下（f）NiI2/In2Se3-P↑和（i）NiI2/In2Se3-P↓异质结磁各向异性能随角度的依赖关系。
图3. （a, b）自旋极化能带结构。（c, d）能带带边和自旋相关电荷转移示意图。（e, f）xy平面内平均电势。（g, h）NiI2/In2Se3-P↑和NiI2/In2Se3-P↓双层异质结沿z方向的差分电荷密度分布（黑线）和差分电荷密度积分（绿线）。Eeff表示异质结中的有效电场。
图4. （a）铁电层中两种畴壁（DW1和DW2）运动的动力学路径。（b）NiI2/In2Se3-P↑和（c）NiI2/In2Se3-P↓双层异质结的透射谱。内置图为光电流输出相对于电压开关的原理图，以及由In2Se3接触的NiI2异质结构成的自旋光电器件模型的原理图。
第一性原理计算结果表明，这种自旋相关的光电存储器可以在NiI2/In2Se3双层异质结中实现。NiI2磁性层中铁磁和反铁磁基态，以及易磁化轴和易磁化面会受铁电层In2Se3中的极化方向所调控，其中铁磁态异质结表现为type-II型能带结构。基于这一异质结，研究团队进一步阐明了界面磁电耦合机制，评估了自旋光电功能的可行性。结果表明磁性/铁电界面引起的电荷转移和有效电场导致了NiI2层中的可逆磁相变。在NiI2/In2Se3异质结中，电场有望促进铁电层中的畴壁运动来实现In2Se3亚层中的极化翻转。零偏压下的透射光谱表明，NiI2/In2Se3异质结在铁磁态和反铁磁态异质结可分别产生自旋极化和非极化电流。
总结/展望
本工作提出了一种具有自旋约束光电功能的二维层状磁性/铁电异质结，同时结合了电场调控和光激励的方式，有望使传感、数据存储和处理功能集成到单个器件中，实现器件小型化、功耗低和响应快的目标。该工作为二维层状多铁异质结在自旋电子器件领域的应用提供了重要参考。
相关论文发表在ACS Nano上，东南大学博士研究生过伊吕和余兴为文章的共同第一作者，袁士俊副教授和王金兰教授为通讯作者。