插层离子产生的二维稀磁多铁半导体

铁电体和铁磁体都是构建非易失性随机存取存储器的候选材料,而它们与半导体电路的结合仍然是一个挑战。强铁磁材料多为金属,而传统铁电多为低电子迁移率的宽间隙绝缘体,它们在硅上的外延生长受到晶格失配等界面问题的影响。 最近部分二维材料中铁电或铁磁性已在实验中得到证实,它们的原子级厚度和高电子迁移率利于高密度的集成和高速操作,并且与衬底的范德华界面允许晶格失配。目前二维材料中还没有实现磁铁耦合的多铁性。 通常关于数据读写,铁磁读易写难,铁电写易读难,多铁材料则结合了两者优点,可以实现高效的“电写+磁读”。

基于此,华中科技大学物理学院吴梦昊教授课题组开展了一系列关于二维铁电/多铁的理论研究。这项工作通过第一性原理计算提出了一种在高迁移率二维半导体特定区域中通过掺杂选择性地诱导多铁性的普适方法,主要基于近期实验合成的一系列二维层状材料插层体系 ,比如NixMoS2和CuxBi2Se3。插层的3d金属离子在MoS2这些二维半导体中同时产生了磁性和铁电性,其耦合使得高密度高效的“电写磁读”成为可能,并且可在室温下稳定存在。类似于稀磁半导体,通过这种掺杂可以形成特定的多铁区域,实现多功能集成。其中铁电金属CuxBi2Se3还具有拓扑超导性等有趣的性质。通过控制离子的掺杂密度还可以调整插层系统的带隙,从而产生随空间变化的带隙,用于光伏能够比单一带隙材料更有效地吸收光,同时铁电极化还有望增加激子寿命和开路电压。相关结果发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201800960)上。