二维交替磁性扬努斯Cr?SeO双层的压电-谷耦合与自旋输运

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Piezo-valley coupling and spin transport in a two-dimensional altermagnetic Janus Cr 2SeO bilayer

　　

摘要

交替磁性是一种新型磁性相，其特点是在共线反铁磁体中，尽管净磁化为零，且无需依赖自旋-轨道耦合，仍存在自旋劈裂。这一性质为自旋电子学和谷电子学技术提供了新的机遇。在本研究中，我们研究了独眼双层Cr₂SeO，该材料缺乏反演对称性，是一种具有多功能应用前景的二维材料。我们的第一性原理计算表明，该材料具有稳定的反铁磁基态，具有面内磁各向异性，并且具有较高的奈尔温度，约为320 K。电子能带结构显示在X和Y对称点均存在明显的自旋劈裂，确认了其交替磁性特征。在单轴应变下，对角镜面对称性被破坏，产生约54 meV的显著谷极化，表明存在强烈的压电-谷效应。该系统还表现出显著的垂直面外压电响应，应变系数为?2.57 p.m./V。此外，在AFM1自旋态的空穴掺杂区域，我们在?0.8 eV处获得了32 (?/e)S/cm的自旋霍尔电导率。在AFM2自旋构型中，我们在?0.86 eV处获得了约9 S/cm的反常霍尔电导率。这些发现表明，交替磁性、应变诱导的谷调控、自旋输运和增强的压电效应在Cr₂SeO双层中共存，使其成为下一代自旋电子学和谷电子学应用的有力候选材料。

引言

反铁磁（AFM）材料由于相反自旋的抵消而不具有净磁矩，使其本质上对磁场扰动具有鲁棒性。最近，在被称为交替磁体的共线对称补偿反铁磁体中实现了自旋劈裂。这种自旋劈裂源于简单的反铁磁有序和特殊的磁空间群，因此不需要相对论性的自旋-轨道耦合（SOC）。已经预测几种体材料表现出交替磁性，例如RuO₂、FeF₂和MnTe [[1], [2], [3]]。此外，也有几种二维（2D）材料被预测具有这种特殊反铁磁有序的自旋劈裂，例如Cr₂O₂和Cr₂S₂ [4,5]。然而，由于反演对称性的存在，这些材料不具有压电性。确实，在过去几种二维材料中发现了压电性和铁磁性的同时存在。然而，自交替磁性行为的最新发现以来，压电性与交替磁性的结合正引起越来越多的研究兴趣。在这种背景下，具有本征不对称性的独眼二维材料为增强压电响应提供了极好的平台，使其成为探索压电-交替磁耦合现象的有前景候选者。例如，San-Dong等人研究了Cr₂SO单层中的压电性和交替磁性 [4]。类似地，Pang et. al. 报道了双层WSe₂中增强的压电系数 [6]。尽管他们报道的数值是合理的，但我们仍需进一步调节这些数值以获得更好的器件性能。此外，我们最近报道了单层Cr₂SeO，其表现出有前景的性能 [7]。然而，其奈尔温度低于室温，限制了其在室温应用中的适用性。此外，计算得到的压电系数为1.18 p.m./V，对于实际应用也需要增强。在本文中，我们关注双层结构，旨在调节奈尔温度和压电响应，以实现适合实际应用的改进性能。

此外，谷自由度由能带结构中费米能级（E_F）附近两个不等价但能量简并的谷点来表征，为信息编码、操控和传输在谷电子学中提供了一个新颖的平台 [[8], [9], [10]]。与二维过渡金属二硫化物（TMDs）中主要源于反演对称性破缺和时间反演对称性破缺的谷极化不同，交替磁体中的谷极化由一种称为C配对自旋-谷锁定（SVL）的不同机制控制。更准确地说，这种谷极化是由于晶体对称性，源自于SOC的缺失。例如，V₂SeTeO独眼单层中的谷极化已被证实是由于应变效应而产生的 [11]。此外，近期的研究还揭示了V₂SeO和Cr₂O₂等材料中存在自旋-谷锁定（SVL）[8,9]。这些谷极化态为开发下一代低功耗电子、自旋电子和量子计算器件开辟了途径，通过实现谷选择性传输和逻辑操作。此外，我们之前研究了w-MnO交替磁体中的自旋霍尔电导率 [12]，而Attias等人研究了FeSb₂交替磁体中的反常霍尔效应 [13]。类似地，Feng等人也报道了RuO₂交替磁体具有较高的反常霍尔电导率 [14]。受这些研究的启发，我们系统地研究了双层Cr₂SeO中的交替磁性、自旋霍尔电导率、压电性和应变诱导的谷极化。

章节摘要

计算方法

所有第一性原理计算均使用基于投影缀加波（PAW）方法的维也纳从头算模拟包（VASP）进行 [15,16]。交换-关联势采用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）广义梯度近似（GGA）处理，平面波能量截断设置为650 eV [17]。Cr-3d轨道的电子关联效应采用GGA + U方法处理，有效Hubbard U值为

结果与讨论

独眼单层Cr₂SeO作为交替磁体Cr₂O₂单层的衍生物，具有分层结构，空间群为P4mm（99）。Cr原子位于Se和O子层之间的中心层。单层Cr₂SeO的不同物理性质已在我们的先前研究中报道 [22]。在此，我们研究了双层Cr₂SeO交替磁体。图1(a)–(c)展示了Cr₂SeO双层的三种可能堆叠构型，即AA、AB和

结论

总之，我们研究了双层Cr₂SeO的电子结构、磁性和多压电效应。晶格常数发现为a = b = 3.71 ?。双层Cr₂SeO表现出交替磁性行为，具有面内磁各向异性，并具有直接带隙0.29 eV的半导体特性。温度依赖的分格格磁化强度揭示了约320 K的奈尔温度。自旋劈裂在价带中达到高达0.23 eV的值，同样

CRediT作者贡献声明

Abdullah：撰写——初稿，数据管理。Imran Khan：数据管理。Jinmyeong Han：数据管理。Jisang Hong：撰写——审阅与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助的韩国国家研究基金会（2022M3H4A1A040853）的资助。

Abdullah|Imran Khan|Jinmyeong Han|Jisang Hong

韩国釜庆国立大学物理系，釜山，48513，韩国