空气稳定的二维半导体中感应磁性的电学调控

《SCIENCE ADVANCES》：Electrical control of induced magnetism in an air-stable two-dimensional semiconductor

　　

稀磁半导体(DMSs)为电学调控自旋相互作用提供了平台；然而，传统体系面临有限的门调控能力和结构无序性的制约。在此，研究人员展示了在空气稳定的稀Fe掺杂PtSe₂中门控可切换的磁性，这是一种在原子级薄极限下仍保持结构均匀的二维(2D)稀磁半导体。块体晶体表现出居里温度(T_C)为320开尔文的铁磁性，且这种耦合在金属性器件中持续到七层。随着厚度和载流子浓度的进一步降低，体系转变为反铁磁有序，在五层半导体器件中门控可调的奈尔温度(T_N)达到105开尔文。研究人员的第一性原理计算揭示了从Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida介导的铁磁性到超交换驱动的反铁磁性的载流子浓度依赖的交叉。这些发现展示了感生磁序如何从块体演化到二维极限，为具有电学可控磁态的功能性自旋电子器件提供了一条路径。

稀磁半导体(DMSs)通过在非磁性主体材料中引入磁性掺杂剂产生局域磁矩，为实现电学调控自旋相互作用提供了重要平台。然而，传统DMS体系如GaMnAs存在门调控能力有限和结构无序等突出问题。在二维(2D)材料领域，本征反铁磁体如MnPS₃、CrI₃和CrSBr虽具有长程磁有序和电场可调性，但其环境不稳定性严重限制了实际应用。PtSe₂作为一种空气稳定的过渡金属二硫属化物，展现出独特的厚度依赖电子结构——块体为金属性，减薄至六层以下时带隙打开转变为半导体——这为在同一材料体系中系统研究维度与载流子浓度对磁交换机制的调控提供了理想契机。然而，在真正的2D DMS框架中实现反铁磁(AFM)相的稳定存在并对其进行静电调控，此前尚未被探索。

研究人员对名义10%、实际约5.5% Fe掺杂的PtSe₂进行了系统的磁输运测量与第一性原理计算，发现这是一种空气稳定的二维稀磁半导体。在五层(5L)和六层(6L)半导体器件中实现了静电门控可切换的AFM有序，奈尔温度(T_N)最高达105 K；在厚层金属性器件和块体中则呈现铁磁(FM)有序，块体居里温度(T_C)约320 K。该研究完整展示了感生磁序从块体到2D极限的演化过程，为电学可控磁态的功能性自旋电子器件提供了新路径。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。

研究人员采用化学气相输运法合成Fe掺杂PtSe₂单晶（以高纯Pt、Fe、Se元素为原料，石英安瓿真空密封熔融结晶）。利用能量色散X射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)确定块体及薄层元素组成；球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)及STEM-EDS映射从原子尺度验证Fe替代Pt的均匀掺杂。使用超导量子干涉仪(SQUID)测量块体磁化强度；对机械剥离至SiO₂/Si衬底上的薄层器件（Au/Ti电极）开展变温、变栅压磁输运测量。理论计算采用基于GPAW的密度泛函理论(DFT)，结合Wannier90与TB2J提取磁交换参数，并以平均场理论模拟载流子掺杂对T_N的影响。

**稀Fe掺杂PtSe₂的基本表征**：EDS与XPS测得块体Fe掺杂浓度分别约为5.5%和4.4%，两种方法结果一致。原子力显微镜和HAADF-STEM成像显示少层样品保持原子级平整层状结构，Fe原子以替代方式占据Pt位点，未观察到晶格弛豫、层间插层或相分离，STEM-EDS元素映射进一步证实Fe在样品中均匀分布，无团簇聚集。

**厚层金属性体系中直至室温的铁磁性**：SQUID磁强计测量显示块体在0.1 T外场下表现出明显的FM转变，T_C约320 K，室温M-H回线仍呈现清晰磁滞。每个Fe原子平均磁矩约0.17 μ_B，远低于金属Fe(2.2 μ_B)及DFT预测的局域矩(1.72 μ_B)，排除了Fe团簇起源。9L器件中磁阻磁滞仅在~20 K以下出现，表明FM序随厚度减薄显著抑制；7L和8L器件呈现类似低温FM磁输运特征，证实FM耦合在金属性少层区可持续至七层。

**2D半导体体系中的门控可调反铁磁性**：6L器件在7 K零栅压下的磁阻(MR)曲线于±5 T附近出现锐利有限场磁滞，伴随高场负磁阻不饱和及线性霍尔电阻，符合AFM亚磁重取向特征。栅压从-70 V升至+70 V时，霍尔空穴浓度从8.9×10¹³ cm^-2降至7.2×10¹³ cm^-2，磁响应逐渐增强，MR变化最大达0.67%，T_N从25 K升至55 K。5L器件呈现半导体输运行为，开关比超过10³，MR在±5 T处显示显著磁滞；尽管磁滞幅度ΔR受接触电阻影响而减小，但由温度依赖输运提取的T_N随载流子浓度降低从~52 K单调增至105 K。以上结果表明AFM有序可通过栅压连续调制甚至开关。

**载流子介导的磁序转变**：DFT计算显示，Fe掺杂3×3超胞单层PtSe₂中自旋极化的Fe能带位于费米能级附近。最近邻Fe-Fe超交换耦合在低空穴掺杂时表现为FM，在半导体区间(60-100%)转变为稳定的AFM，而引入过量空穴(>100%)后RKKY相互作用开始主导，反映从局域到巡游交换机制的转变。平均场计算预测RKKY贡献的T_N与载流子掺杂水平近似线性关系，与5L和6L器件实验结果一致。

该研究确立了Fe掺杂PtSe₂作为真正2D DMS的平台地位。STEM分析证实Fe均匀替代Pt位点且无团簇，结合PtSe₂独特的电子结构以及2D极限下的高效静电调控，实现了磁有序强度与性质的连续调制。T_N与载流子浓度的反比关系及厚度驱动的FM-AFM演化，凸显了通过栅压与层厚双重调控载流子介导磁性的可行性。进一步提升T_N可通过优化Fe浓度和探索带隙更大的超薄器件实现，有望在单层极限将AFM序推向室温。此外，栅压诱导的反演对称性破缺可能增强PtSe₂本征Rashba自旋轨道耦合，使单一材料无需外加重金属层即可实现自旋轨道扭矩功能，为基于电学可重构AFM序的下一代低功耗自旋电子器件奠定基础。